專利名稱：一種背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種三電平靜止變頻器的功率組件。
背景技術(shù)：
靜止變頻器是一種運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良的起動(dòng)裝置。它的提出已有幾十年的時(shí)間， 國外已進(jìn)入普遍應(yīng)用階段，運(yùn)行于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組、抽水蓄能電站、高爐鼓風(fēng)機(jī)等方面。一套 起動(dòng)裝置能依次起動(dòng)若干臺(tái)大型機(jī)組，節(jié)省設(shè)備投資。另一方面，靜止變頻起動(dòng)裝置造價(jià)較 高，系統(tǒng)復(fù)雜，要求較高的技術(shù)水平和維護(hù)水平。然而，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這些問題 已日益得到解決。與普通的二電平PWM變頻器相比，三電平靜止變頻器由于輸出線電壓電平數(shù)由2 個(gè)增加到3個(gè)，每個(gè)電平幅值相對(duì)較低，由整個(gè)直流母線電壓降低為一半的直流母線電壓， 輸出dv/dt也相應(yīng)下降；在同等開關(guān)頻率的前提下，采用三電平結(jié)構(gòu)還可使輸出波形質(zhì)量 有較大的改善。如輸入也采用對(duì)稱的三電平PWM整流結(jié)構(gòu)，可以做到輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸 入諧波較低，且可以四象限運(yùn)行，系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)性能。如今，變頻器的應(yīng)用在日益增加，對(duì)變頻器可靠性的要求越來越高。影響變頻器的 可靠性指標(biāo)有多項(xiàng)，其中在設(shè)計(jì)過程中其散熱與通風(fēng)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一般來講，由 于設(shè)備功率大，在正常工作時(shí)，仍要產(chǎn)生大量的熱量。為保證設(shè)備的正常工作，把大量的熱 量散發(fā)出去，優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱，對(duì)于提高設(shè)備的可靠性是十分必 要的。變頻器在正常工作時(shí)，功率組件則是熱量的主要來源，其中作為主電路電子開關(guān) 的功率器件的散熱、功率組件的散熱設(shè)計(jì)相應(yīng)的變得最為重要。功率器件的耗散功率所產(chǎn) 生的溫升需由散熱器來降低，通過散熱器增加功率器件的導(dǎo)熱和輻射面積、擴(kuò)張熱流以及 緩沖導(dǎo)熱過渡過程，直接傳導(dǎo)或借助于導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中。目前在高壓變 頻器中常用到的冷卻方式為強(qiáng)制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻。由于采用水冷方 式散熱有體積小、效率高、沒有污染等優(yōu)點(diǎn)，散熱器表面與流體的溫差比較小，一方面可以 提高功率，另一方面可以降低芯片的溫度，提高其壽命。因此，采用水冷方式對(duì)變頻器進(jìn)行 冷卻，是提高設(shè)備可靠性和縮小設(shè)備體積的一個(gè)重要措施。設(shè)計(jì)三電平變頻器的功率組件時(shí)，在滿足散熱設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)充分考慮到設(shè)備的 裝卸、檢修及維護(hù)的方便問題。但是目前為止還沒有一種能夠滿足要求的功率組件。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種適用于背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供了 一種背靠背式三電平靜止變 頻器的功率組件，其特征在于，包括相連接的兩個(gè)功率組件水冷散熱器，功率組件水冷散熱 器通過水冷散熱器支撐柱設(shè)于功率組件支撐板上，每個(gè)功率組件水冷散熱器的兩端通過水 冷散熱器連接頭分別直接連于主循環(huán)水管道的進(jìn)水管和回水管，在一個(gè)功率組件水冷散熱器的兩面各安裝一個(gè)IGBT模塊和一個(gè)二極管模塊，同時(shí)，在另一個(gè)功率組件水冷散熱器的 兩面正反設(shè)有兩個(gè)IGBT模塊，四個(gè)IGBT模塊依次串聯(lián)在直流正極和直流負(fù)極之間組成兩 個(gè)橋臂，在位于中間的兩個(gè)IGBT模塊之間引出有輸入/輸出端，在每個(gè)橋臂的中點(diǎn)與0點(diǎn) 之間分別跨接有一個(gè)二極管模塊，在直流正極和直流負(fù)極與0點(diǎn)間分別跨接有一個(gè)吸收電容。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1.結(jié)構(gòu)緊湊，采用“背靠背”式安裝。功率組件采用功率器件在功率組件水冷散熱 器上兩面安裝，即“背靠背”式安裝，這種緊湊的結(jié)構(gòu)，使得功率組件在滿足其散熱要求，達(dá) 到散熱效果的前提下，比使用兩個(gè)單面安裝散熱器的方案節(jié)省了一半的空間。因此，結(jié)構(gòu)的 緊湊使得功率組件體積的縮小，從而可以極大的減小整機(jī)的尺寸。2.統(tǒng)一的功率組件結(jié)構(gòu)。三電平變頻器整流部分與三電平變頻器逆變部分可設(shè)計(jì) 為完全相同的兩部分，并且三電平變頻器整流部分和三電平變頻器逆變部分中的每一相可 設(shè)計(jì)為共六個(gè)相同的功率組件。因此，功率組件的設(shè)計(jì)統(tǒng)一將功率器件安裝于功率組件水 冷散熱器的兩面，再通過絕緣的水冷散熱器支撐柱固定于功率組件支撐板上，形成一個(gè)功 率組件的整體，可以使功率組件形成一體化，方便裝配、檢修與維護(hù)，使三電平變頻器整流 部分和三電平變頻器逆變部分使用相同的功率組件。3.高標(biāo)準(zhǔn)的互換性。功率組件電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰，技術(shù)成熟可靠。另外，采用模 塊化結(jié)構(gòu)，三電平變頻器整流部分與三電平變頻器逆變部分的功率組件，由于其統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 的結(jié)構(gòu)，故可以在不進(jìn)行任何改動(dòng)的情況下互換，同時(shí)，裝配和維修也非常方便。4.優(yōu)良散熱效果的水冷散熱器。功率組件采用功率組件水冷散熱器對(duì)功率器件進(jìn) 行冷卻，使安裝于功率組件水冷散熱器表面的IGBT模塊和二極管模塊得到充分冷卻降溫， 嚴(yán)格控制功率器件的溫升不超過額定值，以滿足器件在額定的溫度范圍內(nèi)正常工作，可以 有效提高設(shè)備可靠性。5.增強(qiáng)的散熱效果。功率組件水冷散熱器內(nèi)部由S型的三條水道形成，在功率組 件水冷散熱器內(nèi)部的三條水道內(nèi)分別加入與水道長(zhǎng)度相同的彈簧，可以有效的增大通過水 道的循環(huán)水的流阻，增強(qiáng)水道內(nèi)的水流的擾流效果，從而增大功率組件水冷散熱器的換熱 系數(shù)，增強(qiáng)率組件水冷散熱器的散熱效果。6.獨(dú)立的散熱系統(tǒng)。每個(gè)功率組件有其獨(dú)立使用的功率組件水冷散熱器，使其提 供各自適合的散熱功率，同時(shí)，為使功率組件水冷散熱器上的IGBT模塊和二極管模塊達(dá)到 更佳的散熱效果，考慮其散熱效果及散熱要求，每個(gè)功率組件使用兩個(gè)完全相同且相對(duì)獨(dú) 立的功率組件水冷散熱器相連接進(jìn)行安裝散熱，在每個(gè)功率組件水冷散熱器的兩端通過水 冷散熱器連接頭分別直接連于主循環(huán)水管道的進(jìn)水管和回水管，增強(qiáng)每個(gè)功率組件水冷散 熱器的散熱效果。

圖1是能量可雙向流動(dòng)的雙SVPWM三電平變頻器原理圖；圖2是背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件原理圖；圖3是背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件結(jié)構(gòu)立體圖；圖4是功率組件水冷散熱器立體圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例來具體說明本實(shí)用新型。實(shí)施例如圖1所示，是能量可雙向流動(dòng)的雙SVPWM三電平變頻器原理圖，這種方式允許全 部電機(jī)能量的回饋，降低了輸入諧波且提高了功率因數(shù)。二極管箝位三電平電壓源型高一 高變頻器考慮了三電平電壓源型高一高變頻器運(yùn)行功率因數(shù)高，響應(yīng)速度快，器件數(shù)量少， 柜體尺寸減小，單機(jī)運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)。三電平電壓源型變頻器直接采用高壓IGBT功率 器件的電壓源型高壓逆變器，它采用了傳統(tǒng)的交一直一交變頻器結(jié)構(gòu)，為能量可雙向流動(dòng) 的雙SVPWM三電平變頻器。根據(jù)其原理圖，三電平變頻器整流部分1與三電平變頻器逆變 部分2可設(shè)計(jì)為完全相同的兩部分，并且三電平變頻器整流部分1和三電平變頻器逆變部 分2中的每一相可設(shè)計(jì)為共六個(gè)相同的功率組件。如圖2所示，是本實(shí)用新型的原理圖，由于三電平變頻器整流部分1和三電平變頻 器逆變部分2共分為六個(gè)相同的功率組件，因此三電平變頻器整流部分1中功率組件的輸 入端與三電平變頻器逆變部分2中功率組件的輸出端在通用功率模塊中是相同的連接點(diǎn)， 每個(gè)功率組件有輸入\輸出、0點(diǎn)、直流正極和直流負(fù)極四個(gè)連接點(diǎn)。在三電平變頻器整流 部分1中，由輸入端引入三相交流電的一相，分別通過兩個(gè)IGBT模塊3串聯(lián)的橋臂，同時(shí)， 在IGBT模塊的串聯(lián)中點(diǎn)與0點(diǎn)之間分別使用二極管模塊4進(jìn)行箝位，在直流正極和直流負(fù) 極與0點(diǎn)間加裝吸收電容5，將其整流為直流電，分別為直流正極和直流負(fù)極，進(jìn)入三電平 變頻器逆變部分2 ；同樣，在三電平變頻器逆變部分2，通過整流的直流正極和直流負(fù)極進(jìn) 入功率組件，分別通過兩個(gè)IGBT模塊3串聯(lián)的橋臂，同時(shí)，在IGBT模塊的串聯(lián)中點(diǎn)與0點(diǎn) 之間分別使用二極管模塊4進(jìn)行箝位，在直流正極和直流負(fù)極與0點(diǎn)間分別加裝吸收電容 5，在輸出端逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵龅囊幌?。如圖3所示，是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)立體圖，為了更好的達(dá)到散熱效果，采用兩個(gè)完 全相同的功率組件水冷散熱器6相連接進(jìn)行安裝散熱。在功率組件中，功率組件水冷散熱 器6的兩面，各安裝一個(gè)IGBT模塊3和一個(gè)二極管模塊4，同時(shí)，將兩個(gè)IGBT模塊3正反安 裝于相連接的另一個(gè)功率組件水冷散熱器6的兩面，吸收電容5分別安裝在直流正極和直 流負(fù)極與0點(diǎn)間，功率組件內(nèi)部各個(gè)元件之間以及功率組件之間的各個(gè)連接點(diǎn)采用銅排進(jìn) 行電氣連接；在每個(gè)功率組件水冷散熱器6的兩端通過水冷散熱器連接頭7分別直接連于 主循環(huán)水管道的進(jìn)水管和回水管；同時(shí)，通過絕緣的水冷散熱器支撐柱8固定于功率組件 支撐板9上，形成一個(gè)功率組件的整體。如圖4所示，是本實(shí)用新型的功率組件水冷散熱器立體圖，功率組件水冷散熱器6 對(duì)功率器件進(jìn)行冷卻用于對(duì)安裝于其表面的IGBT模塊3和二極管模塊4進(jìn)行充分冷卻降 溫，嚴(yán)格控制功率器件的溫升不超過額定值，以滿足器件在額定的溫度范圍內(nèi)正常工作，可 以有效提高設(shè)備可靠性。并且，在功率組件水冷散熱器6內(nèi)部的S型水道內(nèi)，分別加入與水 道長(zhǎng)度相同的彈簧，可以有效的增大通過水道的循環(huán)水的流阻，增強(qiáng)水道內(nèi)的水流的擾流 效果，從而增大功率組件水冷散熱器6的換熱系數(shù)，增強(qiáng)率組件水冷散熱器6的散熱效果。 同時(shí)，每個(gè)功率組件有其獨(dú)立使用的功率組件水冷散熱器6，使其提供各自適合的散熱功 率，每個(gè)功率組件使用兩個(gè)完全相同且相對(duì)獨(dú)立的功率組件水冷散熱器6相連接進(jìn)行安裝散熱，在每個(gè)功率組件水冷散熱器6的兩端通過水冷散熱器連接頭7分別直接連于主循環(huán) 水管道的進(jìn)水管和回水管，增強(qiáng)每個(gè)功率組件水冷散熱器6的散熱效果。
權(quán)利要求一種背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件，其特征在于，包括相連接的兩個(gè)功率組件水冷散熱器(6)，功率組件水冷散熱器(6)通過水冷散熱器支撐柱(8)設(shè)于功率組件支撐板(9)上，每個(gè)功率組件水冷散熱器(6)的兩端通過水冷散熱器連接頭(7)分別直接連于主循環(huán)水管道的進(jìn)水管和回水管，在一個(gè)功率組件水冷散熱器(6)的兩面各安裝一個(gè)IGBT模塊(3)和一個(gè)二極管模塊(4)，同時(shí)，在另一個(gè)功率組件水冷散熱器(6)的兩面正反設(shè)有兩個(gè)IGBT模塊(3)，四個(gè)IGBT模塊(3)依次串聯(lián)在直流正極和直流負(fù)極之間組成兩個(gè)橋臂，在位于中間的兩個(gè)IGBT模塊(3)之間引出有輸入/輸出端，在每個(gè)橋臂的中點(diǎn)與0點(diǎn)之間分別跨接有一個(gè)二極管模塊(4)，在直流正極和直流負(fù)極與0點(diǎn)間分別跨接有一個(gè)吸收電容(5)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種背靠背式三電平靜止變頻器的功率組件，其特征在于，包括相連接的兩個(gè)功率組件水冷散熱器，在一個(gè)功率組件水冷散熱器的兩面各安裝一個(gè)IGBT模塊和一個(gè)二極管模塊，同時(shí)，在另一個(gè)功率組件水冷散熱器的兩面正反設(shè)有兩個(gè)IGBT模塊，四個(gè)IGBT模塊依次串聯(lián)在直流正極和直流負(fù)極之間組成兩個(gè)橋臂，在位于中間的兩個(gè)IGBT模塊之間引出有輸入/輸出端，在每個(gè)橋臂的中點(diǎn)與0點(diǎn)之間分別跨接有一個(gè)二極管模塊，在直流正極和直流負(fù)極與0點(diǎn)間分別跨接有一個(gè)吸收電容。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，高標(biāo)準(zhǔn)的互換性，優(yōu)良散熱效果的水冷散熱器，增強(qiáng)的散熱效果，獨(dú)立的散熱系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H05K7/20GK201708701SQ20102024964
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者張海燕, 時(shí)代, 李守法, 程德倪, 逯乾鵬, 鄭旻 申請(qǐng)人:上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院;上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司;上海斯隆能源技術(shù)服務(wù)有限公司