TWI489715B - 變流器功率單元及其母線排 - Google Patents

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Description

變流器功率單元及其母線排
本發明涉及一種大功率變流器,尤其是涉及一種大功率變流器的功率單元及其母線排的結構。
當今電力電子技術的發展是向著高頻化、大功率化以及功率密度更大化的方向。在大功率(幾百kw到幾Mw的功率等級)的變流器中高頻化的體現是選用更高的開關頻率(從幾kHz到幾十kHz),大功率化的體現是選用更大額定電流的功率模組(IGBT/IGCT等),而功率密度更大化的要求是在單位體積內的功率要越做越大,也就是說在相同的功率等級下需要變流器的體積越來越小。
隨之而來就有越來越多的新技術應用於大功率變流器中,比如利用多個IGBT模組的並聯來達到更大電流的輸出能力(即相同輸出電壓下的更大功率),利用疊層母線排(Laminated bus bar)的設計來減小直流母線電容內部的雜散電感以及直流母線電容與IGBT功率模組之間的雜散電感等等。
為克服現有技術的缺陷,本發明提出一種大功率變流器的功率單元及其母線排,具體而言,本發明通過改進功率單元及其母線排的結構和佈置方式,使得直流母線電容內部互聯的雜散電感以及 直流母線電容與功率開關模組之間的雜散電感最小化。
本發明的進一步的目的在於使得功率開關模組與直流母線電容之間具有均等的雜散電感,並且使得變流器的各功率單元具有較小的體積,從而整個系統具有較高的功率密度。
為實現上述發明目的,提供一種變流器功率單元,包括:散熱器;n個功率開關模組,設置在該散熱器上,每一個該功率開關模組具有正極和負極,其中n 1且n為自然數;第一疊層母線排組,包括第一母線排和第二母線排,其中該第一母線排連接該功率開關模組的正極,而該第二母線排連接該功率開關模組的負極;電容組,包括m個電容,該電容組包括正極和負極,其中m 1且m為自然數;以及第二疊層母線排組,包括第三母線排和第四母線排,其中該第三母線排連接該電容組的正極,該第四母線排連接該電容組的負極,其中該第一母線排與該第三母線排相連接,該第二母線排與該第四母線排相連接;以及該n個功率開關模組構成的區域在第一平面上的垂直投影區域設為第一投影區域,該電容組在該第一平面上的垂直投影區域設為第二投影區域,該第一投影區域與該第二投影區域具有一交疊區域,其中,該第一平面為與該電容組的軸向相垂直的平面。
根據實施例,該第一母線排和該第二母線排的每一個分別包括:功率開關模組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的一邊且分別連接至每一個該功率開關模組的正極或負極,該功率開關模組連接部上設有功率開關模組連接孔;以及電容組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的另一邊且分別連接至該第三母線排或該第四母線排,該電容組連接部上設有電容組連接孔。
根據實施例,該第一母線排和該第二母線排的每一個還分別包括:支撐部,分別與該第一母線排或該第二母線排的該功率開關模組連接部和該電容組連接部連接,該第一母線排的支撐部與該第二母線排的支撐部相鄰疊置形成支撐部並排結構,該第一母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的一側,該第二母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的另一側。
根據實施例,該第一母線排和該第二母線排各自的功率開關模組連接部、電容組連接部以及該支撐部並排結構共同構成了“工”字形,其中該支撐部並排結構構成該“工”字形的中間豎條,分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該功率開關模組連接部共同構成該“工”字形的下橫條,以及分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該電容組連接部共同構成該“工”字形的上橫條。
根據實施例,兩個該功率開關模組連接部和兩個該電容組連接部分別為完整的條排或有缺口的不完整的條排。
根據實施例,兩個該支撐部具有預設長度和預設寬度。
根據實施例,該預設長度大於等於沿該第一投影區域的長度方向而位於其兩端的兩個該功率開關模組相同極性端之間的距離。
根據實施例,該支撐部並排結構的兩個支撐部之間設置有絕緣層。
根據實施例,該支撐部並排結構的兩個支撐部的間隔距離小於等於該功率開關模組的正極與負極之間的距離。
根據實施例,該第一母線排和該第二母線排沿該支撐部並排結構的長度延伸方向鏡像對稱設置。
根據實施例,該功率開關模組連接孔或該電容組連接孔相對於該支撐部的該預設長度的垂直平分面對稱設置。
根據實施例,該第一投影區域的中心點設為第一中心點,該第二投影區域的中心點設為第二中心點,該第一中心點和該第二中心點之間的距離d滿足以下要求:0 d L/2,其中,L為該第一投影區域的長度。
根據實施例,該功率開關模組為IGBT模組、MOSFET模組或IGCT模組。
根據實施例,該功率單元具有一路、三路或多路交流輸出。
根據實施例,該功率單元為單相功率單元、三相功率單元或多相功率單元。
為實現上述發明目的,還提供一種變流器功率單元的母線排,包括如上所述的第一母線排和第二母線排。
本申請的變流器的功率單元採用“工”字形疊層母線排作為各功率開關單元的母線排,這種合理而緊湊的結構可以大大減小變流器的換流回路中的雜散電感,並且,這種“工”字形疊層母線排的結構使得各功率開關模組到各直流母線電容的電流回路的長度基本對稱,也使得各功率開關模組在換流時的動態電流基本相等。從而實現了各功率開關模組之間基本相同的工作狀態,不會出現某個器件承受過大動態電流而影響其可靠性的問題,整個系統 的使用安全性和壽命也得以提高。
在本申請的實施例中,如果功率開關模組(包括下方的散熱器)的寬度是W1,高度是H1,而電容組的寬度是W2,高度是H2,功率開關模組與電容組組合構成的功率單元的寬度為W1或W2中較大的一個,高度為H1或H2中較大的一個。當設計的W1與W2,H1與H2的差值為較小時,即,W1與W2、H1與H2近似相等,那麼與現有技術中將電容組放置於功率開關模組的左側或右側的結構相比,本申請的變流器的功率單元及其櫃體的寬度可以減小一半左右。或者與現有技術中將電容組放置於功率開關模組的上側或下側的結構相比,本申請的變流器的各功率單元及其櫃體的高度可以減小一半左右。因此,本申請能夠大大提高了整個系統的空間利用率和功率密度。
1、2、3、4、5、6‧‧‧電容、直流母線電容
7、8、9‧‧‧功率開關模組、開關器件、IGBT模組
10‧‧‧散熱器
11、11’、12、12’、13、14、15、16、17、18‧‧‧母線排
11-a、12-a‧‧‧IGBT模組連接部、功率開關模組連接部
11-b、12-b‧‧‧支撐部
11-c:12-c‧‧‧電容組連接部
11-1、11-2、11-3、12-1、12-2、12-3‧‧‧功率開關模組連接孔、IGBT模組連接孔
11-4、11-5、12-4、12-5‧‧‧電容組連接孔、端子排
13-1、13-2、14-1、14-2‧‧‧壓鉚螺孔、凸台螺孔
BUSN‧‧‧中性極端子
BUS+‧‧‧正極、正極端子
BUS-‧‧‧負極、負極端子
CAP、CAP1、CAP2、CAP3‧‧‧電容組
C1‧‧‧集電極端子
C2E1、D2S1‧‧‧端子
S2‧‧‧源極端子
d‧‧‧距離
D1‧‧‧漏極端子
E2‧‧‧發射極端子
H1、H2‧‧‧高度
L‧‧‧長度
L1‧‧‧A相電抗器
L2‧‧‧B相電抗器
L3‧‧‧C相電抗器
M‧‧‧垂直平分面
OP、OP-A、OP-B、OP-C‧‧‧輸出端、交流輸出端
O1‧‧‧第一中心點
O2‧‧‧第二中心點
P1、P2、P3‧‧‧單相功率單元
S1‧‧‧投影區域
S2’‧‧‧投影區域
S3‧‧‧交疊區域
W1、W2‧‧‧寬度
Loop‧‧‧換流回路
圖1為示出根據現有技術的一個實施例的變流器功率單元的透視圖。
圖2為示出根據現有技術的另一個實施例的變流器功率單元的透視圖。
圖3為示出變流器的單相功率單元的電路圖。
圖4為示出由三個圖3所示的單相功率單元組成的三相變流器的電路圖。
圖5為示出三相變流器的功率單元的電路圖。
圖6為示出變流器的功率開關模組的結構示意圖。
圖7為示出採用IGBT模組作為功率開關模組時的電氣連接電路圖
圖8為示出採用MOSFET模組作為功率開關模組時的電氣連接電路圖。
圖9為示出根據本申請一個實施例的變流器功率單元的透視圖。
圖10為示出如圖9所示的變流器功率單元的側視圖。
圖11為示出如圖9所示的變流器功率單元的正視圖。
圖12為示出根據本申請的一個實施例的疊層母線排的透視圖。
圖13為示出如圖12所示的疊層母線排的正視圖。
圖14為示出如圖12所示的疊層母線排的俯視圖。
圖15為示出如圖12所示的疊層母線排的側視圖。
圖16 為根據本申請一個實施例的三相變流器的透視圖。
圖17 為如圖16所示的三相變流器在去掉電容組及用以連接電容組的疊層母線排時的正視圖。
圖18為如圖16的三相變流器的電容組及用以連接電容組的疊層母線排的拆分透視圖。
圖19為如圖18所示的電容組及用以連接電容組的疊層母線排的後視圖。
圖20為如圖16所示的三相變流器的用以連接功率開關模組的疊層母線排與用以連接電容組的疊層母線排之間的連接關係示意圖。
以下將結合圖式具體描述本發明的多個實施方式。為明確說明起見,多個實施例的細節將在以下敍述中一併說明。然而,應瞭解到,這些實施例的細節不應該被用以限制本發明。
在此後的說明中,對各部件的方位性描述均以圖式所示的將變流器安裝在櫃體中的實際方位為准,例如,如圖1和圖16的箭頭所示,在安裝於櫃體中之後,從變流器的散熱器10朝向功率開關模組的方向被定義為前後方向,功率開關模組的正極、負極和輸出端3點形成的直線被定義為左右方向,而與上述兩個方向均垂直的方向被定義為上下方向。
為了描述的方便或清楚起見,圖式中示出的尺寸可被誇大、省略或示意性地示出。並且,元件的尺寸無須嚴格按比例示出。
如圖1~2所示,在大功率變流器的功率結構中,通常主要包括以下幾部分:散熱器;設置在散熱器上的功率開關模組;直流母線電容;以及用以電連接功率開關模組和直流母線電容的母線排。
以兩電平拓撲的大功率電壓源變流器(VSC,Voltage Source Converter)的功率結構部分的設計為例進行說明。如圖3所示,變流器的單相功率單元由三個並聯的功率開關模組7~9、直流母線電容1~6、在這兩者之間連接用的母線排11’、12’及13~15以及散熱器10等組成。其中各功率開關模組7~9的正極或負極分別通過母線排12’或11’連接,各功率開關模組7~9的交流輸出端OP通過母線排16連接以輸出一個交流電壓或電流。
如圖4所示,可採用三組上述的單相功率單元P1~P3來組成三相變流器,其中每一相功率單元的部件的結構和性能均相同。每一相 功率單元的母線排的正負極BUS+/BUS-分別互聯,P1的輸出極OP接A相電抗器L1,P2的輸出極OP接B相電抗器L2,P3的輸出極OP接C相電抗器L3。
另外,也可以在一個散熱器上形成3相功率單元,如圖5所示。與圖3在一個散熱器上形成的單相功率單元不同的是,每個功率開關模組的交流輸出端OP-A、OP-B和OP-C分別通過母線排16~18連接以輸出三個交流電壓或電流(A相、B相和C相)至電抗器。
其中,如圖1~2所示,單相功率單元中的功率開關模組的佈置方式例如可以是將三個並聯的功率開關模組7~9等距地放置在豎直的散熱器上(以上下通風模式為例,水平通風模式與之類似),用母線排11’、12’分別連接功率開關模組7~9的負極或正極,方便與直流母線電容1~6組成的電容組CAP的正負極相接。直流母線電容組CAP中的電容用疊層母線排13~15連接起來。條形母線排11’和12’的一側分別與功率開關模組的負極或正極連接(鎖附)在一起,另一側分別通過疊層母線排13~14與電容組CAP的正負極鎖附在一起。
仍然以在一個散熱器上形成的單相功率單元為例,如圖3所示,該母線排12’、11’和13~15包括:分別連接功率開關模組7~9的正負極以引出正極端子BUS+和負極端子BUS-的條形母線排12’和11’;連接電容組CAP中的電容1、3、5的正極以引出正極端子BUS+的疊層母線排14,連接電容組CAP中的電容2、4、6的負極以引出負極端子BUS-的疊層母線排13,以及依次串聯連接電容1、3、5的負極和電容2、4、6的正極以作為中性極端子BUSN的疊層母線排15。
其中,電容組CAP採用疊層母線排的連接方式可以有效地減小電容內部連接的雜散電感,進而減小功率開關模組在開關工作時的電壓應力,提高其工作的可靠性。
變流器的功率開關模組所採用的開關器件7~9有62mm、EconoDua1、PrimePACK和IHM/IHV等封裝形式可選用,而62mm、PrimePACK以及IHM/IHV這些封裝形式的共同點是電氣連接端子都在IGBT模組的頂部分佈,而不是像EconoDua1封裝形式一樣在兩側分佈。
以下以該開關器件選用62mm封裝的IGBT模組為例進行說明。62mm封裝形式的IGBT模組的結構示意圖如圖6所示,其電氣連接電路如圖7所示。其中,C1是IGBT上管的集電極端子,位於IGBT模組3個端子的一側並作為IGBT模組的正極,在電路中需與條形母線排12’相連;E2是IGBT下管的發射極端子,位於IGBT模組3個端子的中間並作為IGBT模組的負極,在電路中需與條形母線排11’相連;C2E1是IGBT上管的發射極與IGBT下管的集電極連接而形成的端子,位於IGBT模組的另一側,在電路中需與變流器的輸出極OP相連。
可選地,該開關器件也可以選用62mm封裝的MOSFET模組,其結構示意圖仍然如圖6所示,其電氣連接電路如圖8所示。其中,D1是MOSFET上管的漏極端子,位於MOSFET模組3個端子的一側並作為MOSFET模組的正極,在電路中需與條形母線排12’相連;S2是MOSFET下管的源極端子,位於MOSFET模組3個端子的中間並作為MOSFET模組的負極,在電路中需與條形母線排11’相連;D2S1是MOSFET上管的源極與MOSFET下管的漏極連接而形成的端子,位於MOSFET模組的另一側,在電路中需與變流器的輸出極OP相連。此 外,還可以選用諸如IGCT模組等本領域所公知的其他類型的模組來作為功率開關模組。
在圖3的功率電路中,每個單相功率單元是以3個IGBT模組並聯,以母線排11’連接各IGBT模組的E2端,以母線排12’連接各IGBT模組的C1端,母線排16連接各IGBT模組的C2E1端作為輸出極OP。
在現有技術中,對於功率開關模組(例如採用IGBT模組,後文將以IGBT模組指代功率開關模組)和直流母線電容的連接結構而言,通常有2種形式。一種是將電容組CAP放置在並聯的IGBT模組的左側或者右側,如圖1所示。連接IGBT模組的正負極的條形母線排12’和11’向左側或右側延伸至分別連接電容組CAP的正極、負極的疊層母線排14、13,條形母線排12’與疊層母線排14相連,條形母線排11’和疊層母線排13連接。
但這種結構形式有2個缺點。一是連接IGBT模組的母線排11’、12’由於需要避開其他端子或者變流器上的其他部件,使得母線排11’、12’的有效寬度變窄,無法如連接電容的疊層母線排13~15那樣設計成大面積的疊層母線排結構,只能以較窄的銅條方式來實現(後文稱之為條形母線排),從而限制了母線排雜散電感的進一步的減小。二是由於電容組CAP被放置在IGBT模組一側,如果IGBT模組以及散熱器占的寬度是W1,電容組CAP占的寬度是W2,那麼由電容組CAP和IGBT模組形成的單相功率單元所占的寬度就是W1與W2之和。因而由3個這樣的單相功率單元3組合起來的變流器所占的寬度相對較大,需要較寬的櫃體來容置,這就使得系統的功率密度較小。
另外一種常見的結構形式是將直流母線電容組放置在並聯的IGBT模組的上側或者下側,如圖2所示。此時,母線排11’、12’為了避開其他部件而垂直延伸到疊層母線排13~14,同樣也只能製成條形,而由於直流母線電容組被放置在IGBT模組的上側或下側,如果電容組CAP占的高度是H1,功率開關模組及散熱器占的高度是H2,則單相功率單元所占的高度就是H1與H2之和,因而同樣存在系統功率密度較小的缺點。此外,由於這種放置方式使得3個並聯的IGBT模組7~9相對於直流母線電容組CAP的距離不一樣,連接在二者之間的條形母線排11’和12’的引線距離也長短不一,所以引線的雜散電感也大小不一。由於在功率開關模組的動態換流過程中,雜散電感越小則IGBT模組的動態電流越大,那麼在3個並聯的具有不同換流回路雜散電感的IGBT模組之間,雜散電感最小的IGBT模組7的動態電流最大,而雜散電感最大的IGBT模組9的動態電流最小。這樣會造成3個IGBT模組的動態電流不一致,承受較大動態電流的IGBT模組的使用安全性和壽命要低於承受較小動態電流的IGBT模組,最終會降低整個系統的可靠性和使用壽命。
根據上述可知,在大功率變流器的功率結構中,功率開關模組與直流母線電容組之間形成的換流回路的雜散電感應當越小越好。雜散電感越大,功率開關模組在關斷時形成的電壓尖峰就會越大,如果該電壓尖峰超過了功率開關模組的額定耐壓,那麼就會造成功率開關模組的過壓損壞。所以在功率結構設計中要盡可能的減小換流回路的雜散電感。而有效減小換流回路的雜散電感的方法之一就是改善功率開關模組與直流母線電容組之間的連接的疊 層母線排的設計。
【本申請的實施例】
在下文所列舉的實施例中,將採用相同的圖式標記指代與上述實施例中的部件相同的部件。
變流器的換流回路Loop由兩部分組成,一是由分別連接各功率開關模組的正負極的疊層母線排12、11(第一和第二母線排)所組成的第一疊層母線排組,二是由分別連接直流母線電容的正負極的疊層母線排14、13(第三和第四母線排)、所組成的第二疊層母線排組,且該第二疊層母線排組還可以包括另一個具有中性極端子BUSN的疊層母線排15(第五母線排),其中疊層母線排12、11、14、13、15均為導電材質。這兩部分的雜散電感都會影響整個換流回路的雜散電感,在功率結構設計時應考慮如何將其優化,使得雜散電感最小。
根據本申請的實施例,變流器的功率單元以2電平的電路拓撲為例進行說明。單相橋臂以3個功率開關模組並聯構成。但本申請的實施例不限於此,也可以是1個功率開關模組,或以2個以上直至n個功率開關模並聯(n為大於等於1的自然數)構成一個變流器的功率單元。功率單元中的電容組CAP以6個直流母線電容串並聯組成。但本申請的實施例不限於此,電容組CAP也可以僅包括1個直流母線電容,或包括2個以上直至m個(m為大於等於1的自然數)。
n個功率開關模組的相同極性端可以同向設置,且可以沿著功率開關模組的寬度方向(即,由圖9中的向上箭頭所標出的上下方 向)並列排布,該電容組CAP的各直流母線電容的電極均朝著功率開關模組方向(即,沿與圖9中的向前箭頭標出方向相反的方向)設置,從而使得該電容組CAP能夠經由彼此連接的該第二疊層母線排組和第一疊層母線排組而基本上疊置於n個功率開關模組前方。但本申請的實施例不限於此,例如,n個功率開關模組還可以沿著其長度方向(即,由圖9中的向右箭頭標出的左右方向)並列排布,等等。
與之前描述的情形類似,本申請中的功率開關模組可以採用IGBT模組、MOSFET模組或IGCT模組等,且在後文中均以IGBT模組指代功率開關模組。
根據本申請的實施例,如圖9和圖10所示,變流器的功率單元包括散熱器10、在散熱器10上並排設置的IGBT模組7~9(可以以相等的間距均勻放置)、以2×3陣列形式設置的直流母線電容1~6(可以均勻放置並組成電容組CAP)、IGBT模組的疊層母線排11~12、以及直流母線電容1~6的疊層母線排13~15。但本申請的實施例不限於此。
根據本申請的實施例,該功率單元可以具有一路、三路或多路交流輸出。例如,當該功率單元具有一路交流輸出時,該功率單元即為單相功率單元,其電路圖類似於如圖3所示的電路圖,此時各功率開關模組7~9的交流輸出端OP通過一個母線排(例如母線排16)連接以輸出一個交流電壓或電流。當該功率單元具有三路交流輸出時,該功率單元即為三相功率單元,其電路圖類似於如圖5所示的電路圖,此時各功率開關模組7~9的交流輸出端OP-A、OP-B和OP-C分別通過各自的母線排(例如母線排16~18)輸出三 個交流電壓或電流(A相、B相和C相)至電抗器。當該功率單元具有除了1路和3路交流輸出之外的多路交流輸出時,可以以此類推。
其中,疊層母線排11的一側連接各IGBT模組7~9的負極,另一側連接電容組CAP的疊層母線排13。而疊層母線排12的一側連接各IGBT模組7~9的正極,另一側連接電容組CAP的疊層母線排14,從而使得該功率開關模組的正極與該電容組CAP的正極相連,且該功率開關模組的負極與該電容組CAP的負極相連。
該電容組CAP通過該第一疊層母線排組和該第二疊層母線排組疊置於該功率開關模組7~9的前方。
根據本申請的實施例,如圖11所示,如果將從該功率開關模組7~9朝向該電容組CAP的方向設定為軸向(也可稱之為電容組的軸向,即由圖9中的向前箭頭標出的前後方向),n個功率開關模組構成的區域在軸向垂直投影平面(第一平面)上的投影區域S1與電容組CAP在軸向垂直投影平面上的投影區域S2’具有交疊區域S3(圖11中位於點劃線框內的區域)。投影區域S1的中心點被設定為第一中心點O1,投影區域S2’的中心點被設定為第二中心點O2,則該第一中心點O1和該第二中心點O2之間的距離d應該滿足以下要求:0 d L/2,其中,L為n個功率開關模組構成的區域在軸向垂直投影平面上的投影區域S1的長度,該長度是指該區域S1沿圖9至圖11所示的向上箭頭標出的上下方向延伸的長度。
其中,該n個功率開關模組構成的區域在軸向垂直投影平面上的投影區域S1可以隨著功率開關模組的數目而變化,例如當n=1時 ,該區域S1可以為該功率開關模組本身的投影區域,當n=2時,該區域S1為兩個功率開關模組本身加上它們之間的間距所構成的投影區域,當n=3、4、5……時,可以以此類推。但本申請的實施例不限於此。同理,電容組CAP在軸向垂直投影平面上的投影區域S2’也可以此方式限定。
根據本申請的實施例,疊層母線排12和疊層母線排11的每一個分別包括:功率開關模組連接部,位於該疊層母線排12或疊層母線排11的一邊且分別連接至每一個該功率開關模組的正極或負極,功率開關模組連接部上設有功率開關模組連接孔;以及電容組連接部,位於疊層母線排12或疊層母線排11的另一邊且分別連接至疊層母線排14或疊層母線排13,電容組連接部上設有電容組連接孔。
疊層母線排12和疊層母線排11的每一個還分別包括:支撐部,分別與疊層母線排12或疊層母線排11的功率開關模組連接部和電容組連接部連接,疊層母線排12的支撐部與疊層母線排11的支撐部相鄰疊置形成支撐部並排結構,疊層母線排12的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的一側,疊層母線排11的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的另一側。
IGBT模組的疊層母線排11和12的具體結構如圖12~15所示。以疊層母線排12為例,其包括:IGBT模組連接部(即功率開關模組連接部)12-a、支撐部12-b、以及電容組連接部12-c。
通過將疊層母線排12的一端向一側彎折約90度,形成IGBT模組連 接部12-a,在該IGBT模組連接部12-a上開有3個功率開關模組連接孔(IGBT模組連接孔)12-1、12-2、12-3,對應連接至IGBT模組7~9的三個C1端子(正極)。
根據本申請的實施例,IGBT模組連接部12-a不限於是由整個彎折部構成的完整的條排,也可以由在其間挖有缺口的幾個部分(各部分可分別稱之為端子排)組成的不完整的條排,不完整條排上的端子排的長度均小於支撐部12-b的預設長度。
將疊層母線排12的另一端也向同一側彎折約90度,形成電容組連接部12-c,在本實施例中,電容組連接部12-c包括2個電容組連接孔12-4和12-5,這2個電容組連接孔12-4和12-5可分別設置在與其位置對應的、其間挖有缺口的不完整的條排上,用於分別連接電容組CAP的疊層母線排14。當然電容組連接孔不限於2個,也可以1個或多於2個。同時也不限於在其間挖有缺口的幾個部分組成的不完整的條排的形式,還可以是如上述IGBT模組連接部12-a那樣的由整個彎折部構成的完整的條排,並在該條排的相應位置開孔12-4和12-5。
根據本發明的實施例,IGBT模組的疊層母線排的支撐部12-b是具有一預設長度和預設寬度的長方形平板。支撐部12-b用以連接IGBT模組連接部12-a與電容組連接部12-c,可以起到支撐的作用。支撐部12-b的預設長度方向是指該支撐部12-b沿圖9至圖12所示的向上箭頭標出的上下方向延伸的方向,而支撐部12-b的預設寬度方向是指該支撐部12-b沿圖9至圖12所示的向前箭頭標出的前後方向延伸的方向。
該支撐部的預設長度大於等於沿該n個功率開關模組構成的區域在軸向垂直投影平面上的投影區域S1的長度方向而位於其兩端的兩個該功率開關模組的相同極性端之間的距離,而支撐部的預設寬度可大於等於0。例如,根據本實施例,支撐部12-b的預設長度可大於等於IGBT模組7的端子C1(正極)與IGBT模組9的端子C1(正極)之間的距離。但本申請的實施例不限於此。
試驗表明,支撐部12-b的預設長度越大,預設寬度越小,則疊層母線排具有的雜散電感越小。然而,在實際製造疊層母線排11和12時,支撐部的預設長度可能受限於IGBT模組的高度及其他因素而無法無限加大,而支撐部的預設寬度很可能也會受限於變流器的安裝在該支撐部附近的某些部件的尺寸和安裝位置。
與疊層母線排12的結構類似,疊層母線排11同樣包括:IGBT模組連接部11-a、支撐部11-b、以及電容組連接部11-c,其中IGBT模組連接部11-a上開有3個IGBT模組連接孔11-1、11-2和11-3,用以分別連接IGBT模組7~9的端子E2(負極),而電容組連接部11-c包括2個端子排,並在其上分別開設電容組連接孔11-4和11-5,分別連接電容組的疊層母線排13。
疊層母線排11與12具有左右對稱的結構,即,疊層母線排11和疊層母線排12沿該支撐部11-b和12-b的長度延伸方向鏡像對稱設置。
如圖12和圖14所示,兩個支撐部11-b和12-b相鄰疊置形成支撐部並排結構,這兩個支撐部11-b和12-b之間可以設置有絕緣層。兩個IGBT模組連接部11-a和12-a分別位於該支撐部並排結構的兩側 並靠近IGBT模組7~9一端,兩個電容組連接部11-c和12-c分別位於該支撐部並排結構的兩側並靠近電容組一端。
這樣,疊層母線排11和12的功率開關模組連接部、支撐部和電容組連接部共同形成為一種“工”字形結構,其中兩個支撐部11-b和12-b及介於其間的絕緣層作為該“工”字形的中間豎條,兩個功率開關模組連接部11-a和12-a和兩個電容組連接部11-c和12-c分別作為該“工”字形的左半邊和右半邊的上、下橫條。
其中,如圖12所示,該功率開關模組連接孔11-1、11-2和11-3以及12-1、12-2和12-3或該電容組連接孔11-4和11-5以及12-4和12-5可以分別相對於該支撐部的預設長度的垂直平分面M(以圖12中的點劃線區域表示)對稱設置。
此外,該功率開關模組7~9在結構上也可以關於該第一中心點O1上下對稱和左右對稱設置;並且該電容組CAP在結構上可以關於該第二中心點O2上下對稱和左右對稱設置。但本申請的實施例不限於此。例如,IGBT模組7、8和9也可以不相等的間距固定在垂直放置的散熱器10上,此時的疊層母線排11、12的IGBT模組連接部需要與相連的IGBT模組的設置位置對應。
在安裝時,疊層母線排11和12的支撐部11-b和12-b緊密地背靠背疊置在一起,中間以一張絕緣層隔開以保證足夠的耐壓,從而形成支撐部並排結構。兩個疊層母線排的支撐部之間的距離應小於或等於任意一個IGBT模組的兩個端子C1(正極)和E2(負極)之間的距離(對於62mm封裝的模組而言,這一距離約為14mm)。疊層母線排11、12的長度(對應於支撐部的預設長度)較大,疊層 母線排11、12的寬度(對應於支撐部的預設寬度)較小,因而具有比圖1和圖2示出的現有技術中的條形母線排11’和12’小得多的雜散電感,這樣就可以減小IGBT的換流回路的雜散電感總量。試驗表明,現有技術中的條形母線排11’和12’的雜散電感的值一般在200nH以上,本申請的疊層母線排11和12的雜散電感可以降到100nH以內。
根據本申請的實施例,電容組連接部11-c上的端子排相對於該支撐部的預設長度的垂直平分面M對稱分佈,電容組連接部12-c上的端子排也相對於該支撐部的預設長度的垂直平分面M對稱分佈,可使得3個IGBT模組7~9得到更為均等的雜散電感量,並使得每個IGBT模組在換流時具有同樣的動態電流。最終使得各並聯的IGBT的工作狀態一致,使用壽命一致,從而提高了整個系統的可靠性以及使用壽命。
正如之前所述,還可以由3個前述的單相功率單元共同組成三相變流器。圖16為根據本申請一個實施例的三相變流器的透視圖。
將3個單相的功率模組並列放置於各自的容納櫃中,用以構成3相變流器的A/B/C三相,圖17示出在去掉位於前方的直流母線電容組CAP及其連接疊層母線排13~15之後的散熱器、IGBT模組和各自的疊層母線排11和12的結構配置。
再參閱圖16,3個電容組中的CAP1包括6個電容放在A相IGBT模組的前方,電容組CAP2包括6個電容放在B相IGBT模組的前方,電容組CAP3包括6個電容放在C相IGBT模組的前方。3個電容組CAP1、 CAP2和CAP3可以用各自連成一個整體的疊層母線排13~15進行連接。疊層母線排13~15的具體結構如圖18所示。疊層母線排13~15是相互緊密層疊在一起的大面積疊層式母線排,每兩個疊層母線排之間插入絕緣層以達到足夠的絕緣強度要求。疊層母線排13連接電容組CAP1、CAP2、CAP3中電容2、4、6的負極作為負極端子BUS-,疊層母線排14連接電容組CAP1、CAP2、CAP3中電容1、3、5的正極作為正極端子BUS+,疊層母線排15串聯連接電容組CAP1、CAP2、CAP3中電容1、3、5的負極以及電容2、4、6的正極作為中性極端子BUSN。各層疊層母線排13~15需在需要露出其他疊層母線排的電氣連接的端子處開設足夠大的孔(如圖19所示),以滿足彼此絕緣的要求。
疊層母線排13~15在連接3相電容組CAP的同時也需要連接各相的疊層母線排11-12,如圖20所示,疊層母線排13在連接疊層母線排11的端子排11-4和11-5的相應位置處應設有對應的壓鉚螺孔(或凸台螺孔)13-1和13-2,而疊層母線排14在連接疊層母線排12的端子排12-4和12-5的相應位置處應設有對應的壓鉚螺孔(或凸台螺孔)14-1和14-2,同時在疊層母線排13的對應位置處開設足夠大的孔以露出該壓鉚螺孔(或凸台螺孔)14-1和14-2。此時,疊層母線排11的端子排11-4和11-5分別連接至疊層母線排13的兩個螺孔13-1和13-2,疊層母線排12的端子排12-4和12-5分別連接至疊層母線排14的兩個螺孔14-1和14-2,由圖20中的虛線示出其連接關係。但本申請的實施例不限於此。
對於本領域技術人員來說,顯然可對本發明作各種變化與修改而不脫離本發明的精神和範圍。因此,本發明意圖涵蓋對本發明做 出的各種修改和變化,只要它們落在所附申請專利範圍及其等同方案的保護範圍內即可。
<AlEx>
1、2、3、4、5、6‧‧‧電容、直流母線電容
7、8、9‧‧‧功率開關模組、開關器件、IGBT模組
10‧‧‧散熱器
11、12、13、14、15‧‧‧母線排

Claims (23)

  1. 一種變流器功率單元,包括:散熱器;n個功率開關模組,設置在該散熱器上,每一個該功率開關模組包括正極和負極,其中n 1且n為自然數;第一疊層母線排組,包括第一母線排和第二母線排,其中該第一母線排連接該功率開關模組的正極,而該第二母線排連接該功率開關模組的負極;電容組,包括m個電容,該電容組包括正極和負極,其中m 1且m為自然數;以及第二疊層母線排組,包括第三母線排和第四母線排,其中該第三母線排連接該電容組的正極,該第四母線排連接該電容組的負極,其中該第一母線排與該第三母線排相連接,該第二母線排與該第四母線排相連接,以及該n個功率開關模組構成的區域在第一平面上的垂直投影區域設為第一投影區域,該電容組在該第一平面上的垂直投影區域設為第二投影區域,該第一投影區域與該第二投影區域具有一交疊區域,其中,該第一平面為與該電容組的軸向相垂直的平面。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之變流器功率單元,其中,該第一母線排和第二母線排的每一個分別包括:功率開關模組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的一邊且分別連接至每一個該 功率開關模組的正極或負極,該功率開關模組連接部上設有功率開關模組連接孔;以及電容組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的另一邊且分別連接至該第三母線排或該第四母線排,該電容組連接部上設有電容組連接孔。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之變流器功率單元,其中,該第一母線排和該第二母線排的每一個還分別包括:支撐部,分別與該第一母線排或該第二母線排的該功率開關模組連接部和該電容組連接部連接,該第一母線排的支撐部與該第二母線排的支撐部相鄰疊置形成支撐部並排結構,該第一母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的一側,該第二母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的另一側。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,該第一母線排和該第二母線排各自的功率開關模組連接部、電容組連接部以及該支撐部並排結構共同構成了“工”字形,其中該支撐部並排結構構成該“工”字形的中間豎條,分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該功率開關模組連接部共同構成該“工”字形的下橫條,以及分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該電容組連接部共同構成該“工”字形的上橫條。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,兩個該功率開關模組連接部和兩個該電容組連接部分別為完整的條排或有缺口的不完整的條排。
  6. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,兩個該支撐部具有預設長度和預設寬度。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之變流器功率單元,其中,該預設 長度大於等於沿該第一投影區域的長度方向而位於其兩端的兩個該功率開關模組相同極性端之間的距離。
  8. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,該支撐部並排結構的兩個支撐部之間設置有絕緣層。
  9. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,該支撐部並排結構的兩個支撐部的間隔距離小於等於該功率開關模組的正極與負極之間的距離。
  10. 根據申請專利範圍第3項所述之變流器功率單元,其中,該第一母線排和該第二母線排沿該支撐部並排結構的長度延伸方向鏡像對稱設置。
  11. 根據申請專利範圍第3項至第10項之任一項所述之變流器功率單元,其中,該功率開關模組連接孔或該電容組連接孔相對於該支撐部的該預設長度的垂直平分面對稱設置。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之變流器功率單元,其中,該第一投影區域的中心點設為第一中心點,該第二投影區域的中心點設為第二中心點,該第一中心點和該第二中心點之間的距離d滿足以下要求:0 d L/2其中,L為該第一投影區域的長度。
  13. 根據申請專利範圍第1項的所述之變流器功率單元,其中,該功率開關模組為IGBT模組、MOSFET模組或IGCT模組。
  14. 根據申請專利範圍第1項所述之變流器功率單元,其中,該功率單元具有一路、三路或多路交流輸出。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之變流器功率單元,其中,該功率單元為單相功率單元、三相功率或多相功率單元。
  16. 一種用於變流器功率單元的疊層母線排組,該變流器功率單元包括一功率開關模組,其中,該疊層母線排組包括:一第一母線排,連接該功率開關模組的正極;以及一第二母線排,連接該功率開關模組的負極,其中,該第一母線排和第二母線排的每一個分別包括:功率開關模組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的一邊且分別連接至該功率開關模組的正極或負極,該功率開關模組連接部上設有功率開關模組連接孔;以及電容組連接部,位於該第一母線排或該第二母線排的另一邊,該電容組連接部上設有電容組連接孔。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述之疊層母線排組,其中,該第一母線排和該第二母線排的每一個還分別包括:支撐部,分別與該第一母線排或該第二母線排的該功率開關模組連接部和該電容組連接部連接,該第一母線排的支撐部與該第二母線排的支撐部相鄰疊置形成支撐部並排結構,該第一母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的一側,該第二母線排的功率開關模組連接部和電容組連接部設置於該支撐部並排結構的另一側。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,該第一母線排和該第二母線排各自的功率開關模組連接部、電容組連接部以及該支撐部並排結構共同構成了“工”字形,其中該支撐部並排結構構成該“工”字形的中間豎條,分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該功率開關模組連接部共同構成該“工”字形的下橫條,以及分別位於該支撐部並排結構兩側的兩個該電容組連接部共同構成該“工”字形的上橫條。
  19. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,兩個該功率開關模組連接部和兩個該電容組連接部分別為完整的條排或有缺口的不完整的條排。
  20. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,兩個該支撐部具有預設長度和預設寬度。
  21. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,該支撐部並排結構的兩個支撐部之間設置有絕緣層。
  22. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,該支撐部並排結構的兩個支撐部的間隔距離小於等於該功率開關模組的正極與負極之間的距離。
  23. 根據申請專利範圍第17項所述之疊層母線排組,其中,該第一母線排和該第二母線排沿該支撐部並排結構的長度延伸方向鏡像對稱設置。
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