一種基于熱管散熱器的三電平igbt功率柜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，包括整流功率模塊、逆變功率模塊、直流母線電容模組、層疊母排以及整流電流傳感器和逆變電流傳感器；所述整流功率模塊與逆變功率模塊中的元器件布局方式相同，分別安裝在柜體后側(cè)壁上部左側(cè)與右側(cè)，直流母線電容模組固定安裝在柜體后側(cè)壁中間，使整流功率模塊與逆變功率模塊相對(duì)于直流母線電容模組左右對(duì)稱；整流功率模塊、逆變功率模塊、直流母線電容模組間通過層疊母排連接，且整流功率模塊與逆變功率模塊還通過層疊母排分別連接整流電流傳感器和逆變電流傳感器。柜體上部分預(yù)留交流進(jìn)/出線孔位。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：實(shí)現(xiàn)了主模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)更加緊湊、增加了易維護(hù)性；熱管散熱方式效率更高；且電路雜散電感更少。
【專利說明】一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體開關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)計(jì)一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，具體來說，是一種模塊化程度更高，電路雜散電感更少的三電平IGBT功率柜。

【背景技術(shù)】
[0002]在中小功率變流器中，多采用兩電平IGBT逆變結(jié)構(gòu)。但是兩電平逆變結(jié)構(gòu)電壓等級(jí)低，容量小，對(duì)電機(jī)絕緣要求高，電機(jī)沖擊大，電壓畸變率大，電流諧波含量高。并且電磁兼容性能不好，功率器件發(fā)熱量大。所以三電平變流器設(shè)備以其更優(yōu)異的性能逐漸取代了兩電平變流器設(shè)備。
[0003]三電平IGBT變流器設(shè)備與傳統(tǒng)的兩電平變流器相比較，主要優(yōu)點(diǎn)是:器件具有2倍的正向阻斷電壓能力。電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高。進(jìn)而能減少諧波和降低開關(guān)頻率，從而使系統(tǒng)損耗減小。還可以提升輸出電壓等級(jí)來減小系統(tǒng)電流應(yīng)力。但是三電平變流器設(shè)備也存在一些缺點(diǎn)，如需要較多的開關(guān)器件，這些開關(guān)器件之間結(jié)構(gòu)布局比較復(fù)雜?？刂扑惴◤?fù)雜。如果器件布局和走線不合理很容易引起電位不平衡問題。所以本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加合理的發(fā)揮了三電平IGBT變流器的優(yōu)勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，通過將三電平IGBT橋臂集中到單獨(dú)模塊中，再配上驅(qū)動(dòng)電路及直流母線電容模組和層疊母排及熱管散熱器，在應(yīng)用中提供元件布局更加合理、結(jié)構(gòu)更加緊湊、散熱效率更高的設(shè)計(jì)。
[0005]本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，
[0006]所述整流功率模塊與逆變功率模塊中的元器件布局方式相同，分別安裝在柜體后側(cè)壁上部左側(cè)與右側(cè)，直流母線電容模組固定安裝在柜體后側(cè)壁中間，使整流功率模塊與逆變功率模塊相對(duì)于直流母線電容模組左右對(duì)稱。
[0007]所述層疊母排包括整流功率模塊層疊母排、逆變功率模塊層疊母排與直流母線電容模組層疊母排，分別固定安裝于整流功率模塊、逆變功率模塊以及直流母線電容模組表面。其中，整流功率模塊層疊母排右側(cè)伸出端子直接與直流母線電容模組層疊母排左側(cè)伸出端子相連；逆變功率模塊層疊母排左側(cè)伸出端子直接與直流母線電容模組模層疊母排右側(cè)伸出端子相連。
[0008]所述整流電流傳感器與和逆變電流傳感器分別固定安裝于柜體內(nèi)壁左側(cè)與右側(cè)，且傳感器中心孔分別穿過交流進(jìn)線母排組與交流出線母排組。交流進(jìn)線母排組與交流出線母排組分別通過絕緣子固定在柜體內(nèi)壁上方。交流進(jìn)線母排組右側(cè)伸出端子連接進(jìn)線電纜，左側(cè)伸出端子連接到整流功率模塊層疊母排的左側(cè)伸出端子。交流出線母排組左側(cè)伸出端子連接到逆變功率模塊層疊母排的右側(cè)伸出端子，交流出線母排組右側(cè)伸出端子連接出線電纜。
[0009]所述整流功率模塊與逆變功率模塊各通過一塊散熱基板安裝在柜體上；整流功率模塊與逆變功率模塊所在的散熱基板各連接一個(gè)位于柜體外部的熱管散熱器，熱管散熱器上方或者下方安裝散熱風(fēng)機(jī)。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0011]1、本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，通過將三電平IGBT橋臂集成到單獨(dú)模塊中，再配上驅(qū)動(dòng)電路及直流母線電容模組和層疊母排及熱管散熱器，元件布局更加合理、結(jié)構(gòu)更加緊湊、散熱效率更高；
[0012]2、本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，采用背靠背式的電路結(jié)構(gòu)，使得逆變與整流功率模塊在結(jié)構(gòu)上完全相同，因此實(shí)現(xiàn)了主模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，增加了易維護(hù)性；且減少了備件的數(shù)量并且有助于維修和調(diào)試工作；
[0013]3、本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜主要功率器件采用熱管散熱，熱管散熱器兼有鋁散熱器和銅散熱器的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)了自然條件下的高效散熱，同時(shí)在使用中還設(shè)有帶溫控器的風(fēng)機(jī)，環(huán)境溫度過高限后自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，這就保證了功率器件在遠(yuǎn)低于其極限狀態(tài)下的長期額定運(yùn)行。而且，熱管散熱器正常運(yùn)行時(shí)無噪音，設(shè)備灰塵少，這都給維護(hù)人員檢修時(shí)帶來極大方便。
[0014]4、本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，模塊化程度更高，電路雜散電感更少，體積緊湊，重量輕，裝卸便利，便于安裝運(yùn)輸，可適合各種工程及礦山應(yīng)用場(chǎng)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜整體結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜中整流功率模塊與逆變功率模塊中的兀器件布局方式意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜熱管散熱器以及交流進(jìn)線孔位、交流出線孔位所在位置示意圖。
[0018]圖中:
[0019]1-柜體2-整流功率模塊3-逆變功率模塊熱管散熱器
[0020]4-直流母線電容模組 5-整流電流傳感器6-逆變電流傳感器
[0021]7-1GBT8-驅(qū)動(dòng)模塊9_中點(diǎn)箝位二極管
[0022]10-散熱基板11-熱管散熱器12-整流功率模塊層疊母排
[0023]13-逆變功率模塊層疊母排14-直流母線電容模組層疊母排15-交流進(jìn)線母排組
[0024]16-交流出線母排組17-絕緣子18-交流進(jìn)線孔位
[0025]19-交流出線孔位

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，包括柜體1、整流功率模塊2、逆變功率模塊3、直流母線電容模組4、整流電流傳感器5、逆變電流傳感器6以及層疊母排，如圖1所示。將整流功率模塊2、逆變功率模塊3和直流母線電容模組4安裝在柜體I內(nèi)，且采用平板安裝方式，并排固定在柜體I后壁，且整流功率模塊2、逆變功率模塊3分別位于直流母線電容模組4兩側(cè)，三者間采用背靠背式的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了主模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，增加了易維護(hù)性。且形成背靠背式的電路結(jié)構(gòu)，使得逆變功率模塊2與整流功率模塊3在結(jié)構(gòu)上完全相同。
[0027]整流功率模塊2用來將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓送往逆變功率模塊3 ;同時(shí)將反向制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過逆變功率模塊3逆變成網(wǎng)側(cè)頻率電壓送往電網(wǎng)。逆變功率模塊3用來將直流電變換成交流電，通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。直流母線電容模組作為支撐電容，即維持母線直流電壓的恒定，使其基本保持在一定的穩(wěn)定值范圍；而且還起到了一定的儲(chǔ)能、平波的作用。
[0028]整流功率模塊2與逆變功率模塊3均具有6個(gè)IGBT7和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊8以及6個(gè)中點(diǎn)箝位二極管9，分別固定安裝在兩塊散熱基板10上，如圖2所示；其中，整流功率模塊2與逆變功率模塊3采用相同的元器件布局方式，另其中6個(gè)IGBT7分別為第一?第六IGBT ;則其中第一?第三IGBT分別橫向安裝在散熱基板10上部，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊8分別與第一?第三IGBT豎向設(shè)置，位于第一?第三IGBT下方；第一?第三IGBT與相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊8間需保留安全電氣間隙。6個(gè)中點(diǎn)箝位二極管9固定安裝于散熱基板10的中部，且分兩排布置，每排3個(gè)，上下對(duì)稱；同時(shí)相互對(duì)稱的兩個(gè)中點(diǎn)箝位二極管9間需保持足夠間隙的爬電間距；第四?第六IGBT分別橫向安裝在散熱基板10下部，相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊8分別與第四?第六IGBT豎向設(shè)置，位于第四?第六IGBT下方；第四?第六IGBT與相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊8間需保留安全電氣間隙。通過上述布局在保證安全距離的情況下盡量使散熱基板10面積最小并且不影響驅(qū)動(dòng)模塊8的接線。上述整流功率模塊2與逆變功率模塊3分別通過各自所在的散熱基板10安裝在柜體I后側(cè)壁上部左側(cè)與右側(cè)。整流功率模塊2與逆變功率模塊3所在的散熱基板10各連接一個(gè)位于柜體I外部的熱管散熱器11，如圖3所示，熱管散熱器11上方或者下方安裝散熱風(fēng)機(jī)。熱管散熱器有著散熱能力強(qiáng)和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。在同等熱阻條件下熱管散熱器消耗材料僅為鋁(銅)實(shí)體散熱器的一半，而且相比水冷設(shè)備減少了水路系統(tǒng)設(shè)備。在IGBT運(yùn)行起來之后，熱源緊密接觸熱管管壁吸收熱量，介質(zhì)液(水)蒸發(fā)變成蒸汽并沿著管道擴(kuò)散；到了壓裝有散熱片的冷凝段，蒸汽冷凝成水，釋放出汽化潛熱；在重力的作用下，水再回到蒸發(fā)段。這樣就完成了一個(gè)傳熱的工作循環(huán)。只要熱管內(nèi)部進(jìn)行的液體蒸發(fā)、蒸汽流動(dòng)、蒸汽凝結(jié)、凝結(jié)液回流4個(gè)工作循環(huán)過程不被破壞，熱管就會(huì)連續(xù)不斷地從熱源傳遞大量的熱到冷端。這不需要外動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)，而是通過傳熱中余量(蒸汽壓差)和介質(zhì)液的重力來驅(qū)動(dòng)。為了增加冷凝段冷凝效果，本發(fā)明還通過安裝外置風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱管散熱器11的散熱，在最大能力保證了散熱的高效同時(shí)可以適應(yīng)任何潮濕、粉塵等惡劣的極端工況。
[0029]所述層疊母排包括整流功率模塊層疊母排12、逆變功率模塊層疊母排13與直流母線電容模組層疊母排14，分別覆蓋于整流功率模塊2、逆變功率模塊3以及直流母線電容模組4表面，且分別設(shè)計(jì)有與整流功率模塊2、逆變功率模塊3以及直流母線電容模組4中元器件安裝孔位置對(duì)應(yīng)的的螺栓孔位，進(jìn)而通過螺栓將整流功率模塊層疊母排12、逆變功率模塊層疊母排13與直流母線電容模組層疊母排14分別與整流功率模塊2、逆變功率模塊3以及直流母線電容模組4固定。本發(fā)明中之所以采用疊層母排，主要由于層疊母排是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接排，與傳統(tǒng)的、笨重的、費(fèi)時(shí)和麻煩的配線方法相比，疊層母排可以提供現(xiàn)代的、易于設(shè)計(jì)、安裝快速和結(jié)構(gòu)清晰的配電系統(tǒng)；同時(shí)，層疊母排具有低電感、低阻抗、抗干擾、可靠性高、節(jié)省空間、裝配簡(jiǎn)潔、快捷等特點(diǎn)，可作為大功率模塊化的連接部件。上述整流功率模塊層疊母排12、逆變功率模塊層疊母排13與直流母線電容模組層疊母排14均為三層層疊結(jié)構(gòu)，中間層為絕緣板，將上層與下層隔開，保證絕緣。其中，整流功率模塊層疊母排12右側(cè)伸出端子直接與直流母線電容模組層疊母排14左側(cè)伸出端子相連；逆變功率模塊層疊母排13左側(cè)的伸出端子直接與直流母線電容模組層疊母排14右側(cè)伸出端子相連。由此，使直流母線電容模組4與整流功率模塊2和逆變功率模塊3間的連接母線最短，有效地降低了其間的雜散電感，有利于改善IGBT的關(guān)斷特性，并且便于拆換、維護(hù)。
[0030]所述整流電流傳感器5與逆變電流傳感器6分別用來采集本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜整體的交流進(jìn)線和交流出線的電流，用來為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的電流數(shù)字量信息。本發(fā)明中整流電流傳感器5與和逆變電流傳感器6分別固定安裝于柜體I內(nèi)壁左側(cè)與右側(cè)，且整流電流傳感器5與和逆變電流傳感器6中心孔分別穿過交流進(jìn)線母排組15與交流出線母排組16。交流進(jìn)線母排組15與交流出線母排組16分別通過絕緣子17固定在柜體I內(nèi)壁上方。交流進(jìn)線母排組15右側(cè)伸出端子連接進(jìn)線電纜，左側(cè)伸出端子連接到整流功率模塊層疊母排12的左側(cè)伸出端子。交流出線母排組16左側(cè)伸出端子連接到逆變功率模塊層疊母排13右側(cè)伸出端子，交流出線母排組16右側(cè)伸出端子連接出線電纜。
[0031]本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜的配線整體采用上進(jìn)上出的方式，僅在柜體I頂面預(yù)留交流進(jìn)線孔位18及交流出線孔位19，如圖3所示，使本發(fā)明一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜可適合各種工程及礦山應(yīng)用場(chǎng)合。
【權(quán)利要求】
1.一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，包括整流功率模塊、逆變功率模塊、直流母線電容模組、層疊母排以及整流電流傳感器和逆變電流傳感器；其特征在于: 所述整流功率模塊與逆變功率模塊中的元器件布局方式相同，分別通過一塊散熱基板安裝在柜體后側(cè)壁上部左側(cè)與右側(cè)，整流功率模塊與逆變功率模塊所在的散熱基板各連接一個(gè)熱管散熱器，熱管散熱器上方或者下方安裝散熱風(fēng)機(jī)。直流母線電容模組固定安裝在柜體后側(cè)壁中間，使整流功率模塊與逆變功率模塊相對(duì)于直流母線電容模組左右對(duì)稱； 所述層疊母排包括整流功率模塊層疊母排、逆變功率模塊層疊母排與直流母線電容模組模組層疊母排，分別固定安裝于整流功率模塊、逆變功率模塊以及直流母線電容模組表面；其中，整流功率模塊層疊母排右側(cè)伸出端子直接與直流母線電容模組層疊母排左側(cè)伸出端子相連；逆變功率模塊層疊母排左側(cè)的伸出端子直接與直流母線電容模組層疊母排右側(cè)伸出端子相連； 所述整流電流傳感器與和逆變電流傳感器分別固定安裝于柜體內(nèi)壁左側(cè)與右側(cè)，且傳感器中心孔分別穿過交流進(jìn)線母排組與交流出線母排組；交流進(jìn)線母排組與交流出線母排組分別通過絕緣子固定在柜體內(nèi)壁上方；交流進(jìn)線母排組右側(cè)伸出端子連接進(jìn)線電纜，左側(cè)伸出端子連接到整流功率模塊層疊母排的左側(cè)伸出端子；交流出線母排組左側(cè)伸出端子連接到逆變功率模塊層疊母排的右側(cè)伸出端子，交流出線母排組右側(cè)伸出端子連接出線電纜。
2.如權(quán)利要求1所述一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，其特征在于:所述整流功率模塊與逆變功率模塊均具有6個(gè)IGBT和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)以及6個(gè)中點(diǎn)箝位二極管；另整流功率模塊與逆變功率模塊中的6個(gè)IGBT分別為第一?第六IGBT ;則其中第一?第三IGBT分別橫向安裝在散熱基板上部，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊分別與第一?第三IGBT豎向設(shè)置，位于第一?第三IGBT下方；6個(gè)中點(diǎn)箝位二極管固定安裝于散熱基板的中部,且分兩排布置，每排3個(gè)，上下對(duì)稱；第四?第六IGBT分別橫向安裝在散熱基板下部，相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊分別與第四?第六IGBT豎向設(shè)置,位于第四?第六IGBT下方。
3.如權(quán)利要求2所述一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，其特征在于:所述第——第三IGBT與相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊間具有電氣間隙；6個(gè)中點(diǎn)箝位二極管中相互對(duì)稱的兩個(gè)中點(diǎn)箝位二極管間具有爬電間距；第四?第六IGBT與相應(yīng)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)間具有電氣間隙。
4.如權(quán)利要求1所述一種基于熱管散熱器的三電平IGBT功率柜，其特征在于:所述柜體左右側(cè)壁安裝定絕緣子，左右兩側(cè)絕緣端子分別位于交流進(jìn)線母排組與機(jī)柜左側(cè)壁之間，交流出線母排組與機(jī)柜右側(cè)壁之間。
【文檔編號(hào)】H05K7/20GK104201867SQ201410471616
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王成勝, 唐磊, 楊瓊濤, 趙悅, 段巍, 趙曉坦, 蘭志明, 李凡, 李崇堅(jiān), 路尚書, 李向欣, 朱春毅, 周亞寧 申請(qǐng)人:北京金自天正智能控制股份有限公司