專利名稱：水冷型三相二極管箝位型三電平逆變功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率三電平交流傳動技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種針對三相二極管
箝位型三電平逆變拓?fù)涞乃湫凸β誓K的主電路結(jié)構(gòu)和布局。
背景技術(shù)：
基于IGBT的大功率二極管箝位型三電平變頻器是目前廣泛應(yīng)用的中壓交流傳動 系統(tǒng)方案之一，現(xiàn)今國內(nèi)外一些企業(yè)已經(jīng)有O. 3 7. 2MVA的工業(yè)產(chǎn)品。相比級聯(lián)H橋拓?fù)?而言，它不會有復(fù)雜的多繞組變壓器，系統(tǒng)可靠性更高，并且單直流母線系統(tǒng)使得多臺不同 功率等級的三電平逆變器可以由一臺整流器供能，大大節(jié)約了資源。但由于不同客戶的特 定需求，裝置即便電氣原理相同往往也要經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，尤其是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需耗費(fèi)大量的時 間和物資投入。電力電子變流模塊(Power Electronics BuildingBlock， PEBB)的應(yīng)用可 以省去許多重復(fù)工作。它可獨(dú)立運(yùn)行亦可組合使用，是當(dāng)今大功率變頻器設(shè)計(jì)的趨勢，標(biāo)準(zhǔn) 化的軟硬件接口和精簡的體積使其擁有很強(qiáng)的通用性、擴(kuò)展性和優(yōu)良的電磁兼容特性，受 到設(shè)計(jì)者和市場的廣泛歡迎。目前，工業(yè)界在多電平級聯(lián)H橋逆變器的PEBB應(yīng)用技術(shù)已經(jīng) 相當(dāng)成熟。而在二極管箝位型三電平IGBT逆變器PEBB的研制中，少數(shù)國外公司和高校也 已有相關(guān)產(chǎn)品或工業(yè)樣機(jī)，但國內(nèi)自主研發(fā)仍然不足。 二極管箝位型三電平變流模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是元件的布局和疊層母線排的應(yīng) 用。大功率器中分布雜散電感對功率器件關(guān)斷特性有重要影響，疊層母線排能在很大程度 上減小雜散電感，有效地抑制各功率器件關(guān)斷電壓尖峰，省去冗雜的阻容吸收電路，使結(jié)構(gòu) 緊湊，并減小對敏感電路的干擾。但是，考慮到功率等級，IGBT和功率二極管模塊體積較大， 端子間距離較遠(yuǎn)。而該拓?fù)溆质沟脜⑴c換流的功率器件數(shù)量較多，因而減小換流回路雜散 電感具有相當(dāng)難度；另一方面，出于成本考慮一般選用鋁電解電容支撐母線直流電壓。由于 其耐壓等級低，需要大量串并聯(lián)，連接線路上的雜散電感會造成各并聯(lián)電容間高頻電流分 布不均勻，距離功率器件較近的電容會承受高于額定值的電流而急劇發(fā)熱。因此這兩者是 工業(yè)工程應(yīng)用中的主要問題，將在本發(fā)明專利中得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種功率密度高、關(guān)斷電壓尖峰小且電解電容不易發(fā)熱的水冷型三相
二極管箝位型三電平逆變功率模塊 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 —種三相二極管箝位型三電平逆變拓?fù)涞乃湫凸β誓K，包括
底部帶有底層鋼板的支撐架；
電解電容組，位于底層鋼板上； 第二疊層母排，鋪設(shè)在電解電容組上，所述的電解電容組通過第二疊層母排相互 連接； 水冷散熱器，架設(shè)在第二疊層母排上方；
3
第一疊層母排，架設(shè)在水冷散熱器上方，第一疊層母排與第二疊層母排相對應(yīng)的 齒狀連接端子之間分別通過第二吸收電容組相連； 功率器件、平衡電阻和電壓傳感器，均位于第一疊層母排和水冷散熱器之間且固 定在水冷散熱器的上表面，功率器件、平衡電阻和電壓傳感器均通過第一疊層母排相互連 接； 第一吸收電容組，位于第一疊層母排上方，通過第一疊層母排相互連接。
所述的第一疊層母排構(gòu)成了二極管箝位型三電平拓?fù)?，第一疊層母排分為四層
最下層(最鄰近水冷散熱器的一層)是三相交流輸出母排；
最下層上方是直流中點(diǎn)層； 直流中點(diǎn)層上方的一層包括處于同一平面的第一正極母排和第一負(fù)極母排；
最上層是連接IGBT和箝位二極管的母排。 第一疊層母排中的直流中點(diǎn)層、正極母排和負(fù)極母排的側(cè)邊設(shè)有交錯分布的齒狀
的連接端子向下延伸出來，用來與第二疊層母排相對應(yīng)的連接端子相連接。
所述的第二疊層母排分為兩層 下層(最鄰近底層鋼板的一層)包括電解電容串聯(lián)母排和直流中點(diǎn)母排，其中所 述的直流中點(diǎn)母排位于中心，電解電容串聯(lián)母排分布在直流中點(diǎn)母排的兩側(cè)各兩塊；
上層包括第二正極母排和第二負(fù)極母排。 第二疊層母排中的直流中點(diǎn)層、正極母排和負(fù)極母排的側(cè)邊設(shè)有交錯分布的齒狀
的連接端子延伸出來，用來與第一疊層母排相對應(yīng)的齒狀連接端子相連接。 第一疊層母排的三相通過大面積直流中點(diǎn)層、第一正極母排和第一負(fù)極母排連為
整體，并在側(cè)面向上翻起形成連接端子以便在功率器件附近安裝第二吸收電容組。 直流輸入、交流輸出和制動端子(共8條)均位于整個水冷型功率模塊的同側(cè)，以
便連接；而水冷散熱器的進(jìn)出水端口在水冷型功率模塊的相反的一側(cè)，避免外接水路與電
路的交錯。 所述的底層鋼板上設(shè)有環(huán)氧樹脂隔板，挖有若干定位孔，所述的電解電容組中的
各個電容對應(yīng)地定位在定位孔中，各個電容的端子通過螺釘與第二疊層母排連接，底層鋼
板可以如抽屜結(jié)構(gòu)一樣拉出功率模塊支撐架，維護(hù)時只需拆掉第一疊層母排與第二疊層母
排之間的吸收電容就可以將底層鋼板連同電解電容組和第二疊層母排一同抽出。 支撐架上端兩側(cè)安裝了手柄，利于搬運(yùn)。 本發(fā)明的有益效果如下 1、所有功率器件安裝在一整塊水冷散熱器上，大大提高功率密度，可用在狹小、密 閉或有防爆要求的場合。 2、將疊層母排分為兩組，易于安裝和維護(hù)。 3、第一疊層母排和安裝在IGBT附近的第一吸收電容組減小了功率器件關(guān)斷電壓 尖峰。 4、第二疊層母排使電解電容電流分布均勻，抑制了靠近IGBT的電解電容發(fā)熱。
5、第一疊層母排和第二疊層母排連接處安裝的吸收電容吸收了大部分高頻電流， 抑制了電解電容整體發(fā)熱。 6、輸入輸出端子和水嘴在相反側(cè)，避免外接水路與電路的交錯。
7 、支撐架上端兩側(cè)安裝了手柄，利于搬運(yùn)。


圖1中虛線框內(nèi)為本發(fā)明電路拓?fù)鋱D。 圖2為本發(fā)明水冷散熱器上功率器件、平衡電阻、溫度開關(guān)以及電壓傳感器的安 裝位置圖。 圖3為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖。 圖4為本發(fā)明電解電容組和第二疊層母排的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖5a、圖5b為本發(fā)明第一疊層母排正反面結(jié)構(gòu)圖。
圖6a、圖6b為本發(fā)明第二疊層母排正反面結(jié)構(gòu)圖。
圖7為圖3的正視圖。
圖8為圖3的后視圖。
圖9為圖3的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3、4、7、8、9所示，三相二極管箝位型三電平逆變拓?fù)涞乃湫凸β誓K，包
括底部帶有底層鋼板的支撐架2 ;電解電容組l，位于底層鋼板上；第二疊層母排5，鋪設(shè) 在電解電容組1上，電解電容組1通過第二疊層母排5相互連接；水冷散熱器3，架設(shè)在第
二疊層母排5上方；第一疊層母排4，架設(shè)在水冷散熱器3上方，第一疊層母排4與第二疊 層母排5相對應(yīng)的齒狀連接端子之間分別通過第二吸收電容組7相連；第一吸收電容組6， 位于第一疊層母排4上方，連接到第一疊層母排4上。 如圖2所示，七個IGBT 23，八個快恢復(fù)功率二極管24，三個平衡電阻25，八個溫度 開關(guān)26，四個電壓傳感器27均位于第一疊層母排4和水冷散熱器3之間且固定在水冷散熱 器3的上表面，并均通過第一疊層母排4相互連接； 如圖5所示，第一疊層母排4構(gòu)成了二極管箝位型三電平拓?fù)洌谝化B層母排4分 為四層最下層是三個三相交流輸出母排18 ;最下層上方是直流中點(diǎn)層15 ;直流中點(diǎn)層15 上方的一層包括處于同一平面的第一正極母排14和第一負(fù)極母排16 ;最上層是六個連接
IGBT和箝位二極管的母排17。 第一疊層母排4中的直流中點(diǎn)層15、第一正極母排14和第一負(fù)極母排16的側(cè)邊 設(shè)有交錯分布的齒狀的連接端子向下延伸出來，用來與第二疊層母排5相對應(yīng)的連接端子 相連接。 第一疊層母排4的三相通過大面積直流中點(diǎn)層15、第一正極母排14和第一負(fù)極母 排16連為整體，并在側(cè)面向上翻起形成連接端子以便在功率器件附近安裝第二吸收電容 組7。 如圖6所示，第二疊層母排5分為兩層下層包括四個電解電容串聯(lián)母排22和直
流中點(diǎn)母排20，其中所述的直流中點(diǎn)母排20位于中心，電解電容串聯(lián)母排22分布在直流中
點(diǎn)母排20的兩側(cè)各兩塊；上層包括第二正極母排19和第二負(fù)極母排21。 第二疊層母排5中的直流中點(diǎn)母排20、第二正極母排19和第二負(fù)極母排21的側(cè)
邊設(shè)有交錯分布的齒狀的連接端子延伸出來，用來與第一疊層母排4相對應(yīng)的齒狀連接端子相連接。 如圖1所示為本發(fā)明的電路原理圖，如圖9所示，水冷型功率模塊與外界接口共有 八個三個直流輸入母排9(圖6中的P、0、N點(diǎn))是三個直流輸入母排，它分別與第二正極 母排19、直流中點(diǎn)母排20和第二負(fù)極母排21相連接；三相交流輸出母排10(圖6中的U、 V、W)，分別與三個三相交流輸出母排18相連接，穿過電流傳感器8引出；制動母排11是圖 6中的X、Y。直流輸入母排9、三相交流輸出母排10和制動母排11均位于整個水冷型功率 模塊的同側(cè)，而水冷散熱器3的進(jìn)出水端口在水冷型功率模塊的相反的一側(cè)。
所述的底層鋼板上設(shè)有環(huán)氧樹脂隔板，挖有若干定位孔，所述的電解電容組1中 的各個電容對應(yīng)的定位在定位孔中，各個電容的端子通過螺釘與第二疊層母排5連接，底 層鋼板可以如抽屜結(jié)構(gòu)一樣拉出功率模塊支撐架2，維護(hù)時只需拆掉第一疊層母排4與第 二疊層母排5之間的第二吸收電容組7就可以將底層鋼板連同電解電容組1和第二疊層母 排5—同抽出。 支撐架2上端兩側(cè)安裝了手柄12。 安裝時首先將電解電容組1在底層鋼板上排列好，將第二疊層母排5從下層至上 層依次放置下層至上層之間要用絕緣紙隔開，用螺絲固定，形成一個如圖2所示的抽屜結(jié) 構(gòu)?？上葘⒊閷辖Y(jié)構(gòu)推入樣機(jī)柜中。將IGBT23、快恢復(fù)功率二極管24、平衡電阻25、溫度開 關(guān)26和電壓傳感器27固定在水冷散熱器3上(如圖5所示)，并用螺絲擰緊。再依次從下 層至上層安裝好第一疊層母排4:四層之間要用絕緣紙隔開。接著裝上第一吸收電容組6。 將第一疊層母排4與第二疊層母排5相對應(yīng)的齒狀連接端子之間分別通過第二吸收電容組 7相連。最后安裝好直流輸入母排9、交流輸出母排10和制動母排11。
權(quán)利要求
一種三相二極管箝位型三電平逆變拓?fù)涞乃湫凸β誓K，其特征在于底部帶有底層鋼板的支撐架；電解電容組，位于底層鋼板上；第二疊層母排，鋪設(shè)在電解電容組上，所述的電解電容組通過第二疊層母排相互連接；水冷散熱器，架設(shè)在第二疊層母排上方；第一疊層母排，架設(shè)在水冷散熱器上方，第一疊層母排與第二疊層母排相對應(yīng)的齒狀連接端子之間分別通過第二吸收電容組相連；功率器件、平衡電阻和電壓傳感器，均位于第一疊層母排和水冷散熱器之間且固定在水冷散熱器的上表面，功率器件、平衡電阻和電壓傳感器均通過第一疊層母排相互連接；第一吸收電容組，位于第一疊層母排上方，連接到第一疊層母排上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于第一疊層母排構(gòu)成了二極管 箝位型三電平拓?fù)?，第一疊層母排分為四層最下層是三相交流輸出母排； 最下層上方是直流中點(diǎn)層；直流中點(diǎn)層上方的一層包括處于同一平面的第一正極母排和第一負(fù)極母排； 最上層是連接IGBT和箝位二極管的母排。第一疊層母排中的直流中點(diǎn)層、第一正極母排和第一負(fù)極母排的側(cè)邊設(shè)有交錯分布的 齒狀的連接端子向下延伸出來，用來與第二疊層母排相對應(yīng)的連接端子相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于第二疊層母排分為兩層 下層包括電解電容串聯(lián)母排和直流中點(diǎn)母排，其中所述的直流中點(diǎn)母排位于中心，電解電容串聯(lián)母排分布在直流中點(diǎn)母排的兩側(cè)各兩塊； 上層包括第二正極母排和第二負(fù)極母排。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于第二疊層母排中的直流中點(diǎn) 層、正極母排和負(fù)極母排的側(cè)邊設(shè)有交錯分布的齒狀的連接端子延伸出來，用來與第一疊 層母排相對應(yīng)的齒狀連接端子相連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于第一疊層母排的三相通過大 面積直流中點(diǎn)層、正極母排和負(fù)極母排連為整體，并在側(cè)面向上翻起形成連接端子以便在 功率器件附近安裝第一吸收電容組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于直流輸入、交流輸出和制動端 子均位于整個水冷型功率模塊的同側(cè)，以便連接；而水冷散熱器的進(jìn)出水端口在水冷型功 率模塊的相反的一側(cè)，避免外接水路與電路的交錯。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水冷型功率模塊，其特征在于所述的底層鋼板上設(shè)有環(huán)氧 樹脂隔板，挖有若干定位孔，所述的電解電容組中的各個電容對應(yīng)的定位在定位孔中，各個 電容的端子通過螺釘與第二疊層母排連接，底層鋼板可以如抽屜結(jié)構(gòu)一樣拉出功率模塊支 撐架，維護(hù)時只需拆掉第一疊層母排與第二疊層母排之間的吸收電容就可以將底層鋼板連 同電解電容組和第二疊層母排一同抽出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水冷型功率模塊，其特征在于支撐架上端兩側(cè)安裝了手柄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相二極管箝位型三電平逆變拓?fù)涞乃湫凸β誓K，包括支撐架；位于支撐架上的電解電容組；鋪設(shè)在電解電容組上的第二疊層母排；架設(shè)在第二疊層母排上方的水冷散熱器；架設(shè)在水冷散熱器上方的第一疊層母排，第一疊層母排與第二疊層母排相對應(yīng)的齒狀連接端子之間分別通過第二吸收電容組相連；固定在水冷散熱器的上表面的功率器件、平衡電阻和電壓傳感器均通過第一疊層母排相互連接；第一吸收電容組，位于第一疊層母排上方，通過第一疊層母排相互連接。本發(fā)明安裝在一整塊水冷散熱器上，大大提高功率密度，可用在狹小、密閉或有防爆要求的場合且關(guān)斷電壓尖峰小且電解電容不易發(fā)熱，易于安裝和維護(hù)。
文檔編號H05K7/20GK101741227SQ20101010863
公開日2010年6月16日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者何湘寧, 婁益豐, 徐枝新, 楊兵建, 汪鋆, 趙榮祥, 辛同磊 申請人:浙江大學(xué)