一种新型IGBT布局方法与流程

本发明涉及功率器件的结构，具体为一种新型IGBT布局方法。

背景技术：

现代电力电子应用技术中，功率器件正朝着大功率发展，与之相关的变流器和功率模块却朝着小型化发展。功率模块一般包括功率器件、散热器、功率器件驱动器、复合母排等部件，功率模块是变流器主电路集成化的体现。由于变流器的小型化要求，希望功率模块功能越来越集中，外形越来越小。这给功率模块的结构设计带来一定的难度。在功率模块结构设计中最基础的也是最重要的技术就是IGBT在散热器上的布局技术，IGBT布局合理，工作可靠，功能集中，意味着功率模块的设计就越成功。

当前的功率模块结构如下： 1）单个功率模块实现一种或两种功率转化功能；

2）多个功率模块在变流器中通过外在电气连接实现整体功能。

这种技术方案存在如下缺点：

1）功率模块功能单一

当前的功率模块功能单一。单个模块只能完成整流功能，或者逆变斩波功能。甚者有时候单个功率模块只能完成整流的一部分或逆变斩波的一部分，功率模块的功率转功能不能高度集中。

2）功率模块在变流器中所占空间大

由于单个功率模块功能单一，根据变流器的需要，往往是多个功率模块在变流器中通过外在电气连接才能实现完整的变流器功能。此外，在变流器结构中，多个功率模块除了自身放置空间外，模块之间还应留有间隔空间，变流器柜体需要存放模块而存在机械支撑，高低压电气连接存在铜排连接或线束走线等因素，从而导致功率模块在变流器中所占大部分空间。

3）变流器成本增高

变流器中完成功能转换的功率模块数量增多，自然会使变流器整体成本增高。成本是提高市场竞争力的极大约束因素。

技术实现要素：

本发明为解决目前电力电子应用技术中功率器件普遍存在功率模块功能单一、功率模块在变流器中所占空间大以及变流器成本高的技术问题，提供一种新型IGBT布局方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种新型IGBT布局方法，由设在长方形散热器上的12个逆变功率器件、1只斩波功率器件和1只续流二极管组成；所述斩波功率器件和续流二极管构成斩波功率单元；12个逆变功率器件以 3个组成一组逆变功率单元，一共形成四组逆变功率单元；每组逆变功率单元中的三个逆变功率器件均顺次排列成与散热器的短边平行的形式；所述续流二极管和斩波功率器件也排列成与散热器短边平行的方式；斩波功率单元紧靠散热器的一条短边布局，四组逆变功率单元则相互平行的排列在斩波功率单元到散热器另一条短边的区域。

进一步的，逆变功率器件采用双管封装的3300V/400A的IGBT，斩波功率器件采用单管3300V/1500A的IGBT，续流二极管为3300V/1000A双管封装。

现有的地铁永磁牵引逆变器技术中，每台牵引逆变器采用4×1C1M的地铁牵引动力配置方式，即每个牵引逆变器中每个逆变单元只为一个牵引电机供电。牵引逆变斩波功率模块是该变流器的主要部件，如图1所示。牵引逆变斩波功率模块由4组逆变功率单元和1组斩波功率单元组成。

它将滤波后的中间直流电压逆变成为牵引电机需要的三相交流电。同时牵引电机制动时，斩波回路完成地铁车辆电阻制动功能，实施电阻制动。如上述所知，按照正常设计，一共需要4个功率模块共26只功率器件才能完成所有的功能转换。但由于该变流器整体外形限制，功率模块需要最大极限的缩小尺寸，而新型IGBT布局是满足这一要求的关键。所以经过IGBT布局设计，主要解决以下问题：

1）4个功率模块集成1个功率模块；

2）功率模块在变流器中安装的空间减小且集中；

3）由于功率模块数量减少，变流器成本降低。

本发明在现有的地铁永磁逆变器基础上，开发一种新型IGBT布局技术，将5种功率单元整合在成一个功能模块，通过对IGBT的布局进行研究，满足逆变器功率模块小型化，器件集中的要求。

如图1电气原理图所示，功率模块的功率器件数量众多，如何将这么多的功率器件集成在一个散热器上并可靠工作，需要从以下四个方面考虑：

1）器件选型；

2）器件功率损耗计算；

3）散热器选择；

4）散热仿真。

1、器件选型

已知技术参数如下所示：

最大控制容量 1291kVA（4×1C1M）

额定输入电压 DC 1500V

电压变化范围 DC 1000V～1800V

瞬时最高电压（再生时） DC1980V

输出电压 三相AC 0-1130V

最大输出电流 4×165A

输出频率范围 0-280Hz

通过计算得知，逆变功率器件选双管封装的3300V/400A的IGBT，斩波功率器件选单管3300V/1500A的IGBT，续流二极管为3300V/1000A双管封装。

经过合理的器件选型，功率器件由最初的26只减少为14只，分别为逆变IGBT12只，1只斩波IGBT，1只续流二极管。IGBT布局如图1所示，它由4组逆变功率单元和1组斩波功率单元组成。

为实现单个功率模块的结构提供基础。但14只功率器件能否在一个散热器上可靠工作，需要对器件的功耗和散热进行详细计算和仿真。

2、功率器件功耗计算

P_总功耗=P_{逆变器件IGBT}+P_斩波IGBT+P_{续流二极管}；

P_{逆变器件IGBT}= IGBT芯片功耗+反并联续流二极管（FWD）损耗=0.72kW；

P_斩波IGBT= I_CP x V_CE（sat）xD=2.2kW；

P_{续流二极管}=0.72kW；

P_总功耗=P_{逆变器件IGBT}+P_斩波IGBT+P_{续流二极管}=0.72x12kW+2.2kW+0.72kW=11.56kW。

3、散热器选择

为保证所有功率器件正常工作时产生的热量都能被散热器全部散去，需要选择合适的散热器。本发明功率器件总功耗为11.56kW，常用在地铁上的热管散热器已不能满足要求，选择散热效果较好的风冷散热器。散热器采用模压成型，表面贴装方式安装功率器件，为防止翅片氧化，除器件安装面，其余表面采用阳极氧化发黑处理。

4、散热仿真

1）IGBT结温散热核算

逆变IGBT结温为125℃，考虑10℃安全裕量，取Tｖj =115℃。

IGBT管壳最高温度为：TC = Tｖj -PT•Rth(j-c) =115-309×0.036=103.876℃；

散热器基板最高温度为：Ts = Tc -PT•Rth(c-s) =103.876-309×0.016=98.932℃；

二极管壳最高温度为：TC-DIODE = Tvj-DIODE-PD•Rth(j-c)-DIODE =115-51×0.072=111.328℃；

散热器基板最高温度为：Ts = TC-DIODE-PD•Rth(c-s)-DIODE=111.328-51×0.016=110.512℃；

斩波IGBT结温为150℃，考虑10℃安全裕量，取Tｖj =140℃。

IGBT管壳最高温度为：TC = Tｖj -PT•Rth(j-c) =140-2200×0.0085=121.3℃；

散热器基板最高温度为：Ts = Tc -PT•Rth(c-s) =121.3-2200×0.009=101.5℃；

其中：TC ：IGBT壳温

Tｖj ：IGBT结温

PT：IGBT功耗

Ts ：IGBT基板温度

Rth(j-c) ：IGBT结壳热阻

Rth(c-s) ：IGBT基板与壳间热阻

因此设计要求环境温度为40℃时，设计散热器基板最高温度小于98.932℃，即可满足设计要求。

2）散热仿真

牵引逆变功率模块单只IGBT的功率损耗为：0.72kW，共0.72×12kW=8.64kW;

斩波IGBT功率损耗为2.2kW；

二极管功率损耗为0.72kW；

散热仿真结果图3所示。

从以上分析并结合图示可得知，散热器表面最高点温度为88.1℃，低于理论计算中的散热器表面温度98.9℃。该风冷散热设计方案完全满足设计要求，此种IGBT布局完全可行。

附图说明

图1地铁永磁牵引逆变器电气原理图。

图2本发明所述的IGBT布局正视图。

图3本发明所述IGBT布局的散热仿真结果。

图4本发明所述的IGBT布局的立体示意图。

图5 IGBT布局的尺寸图。

图6功率模块的三维模型示意图。

图7功率模块在变流器中的放置位置示意图。

1-第一逆变功率单元，2-第二逆变功率单元，3-第三逆变功率单元，4-第四逆变功率单元，5-斩波功率单元，6-功率模块，7-ATI，8-TCU，9-预充电电阻，10-输入接触器。

具体实施方式

一种新型IGBT布局方法，由设在长方形散热器上的12个逆变功率器件、1只斩波功率器件和1只续流二极管组成；所述斩波功率器件和续流二极管构成斩波功率单元；12个逆变功率器件以 3个组成一组逆变功率单元，一共形成四组逆变功率单元；每组逆变功率单元中的三个逆变功率器件均顺次排列成与散热器的短边平行的形式；所述续流二极管和斩波功率器件也排列成与散热器短边平行的方式；斩波功率单元紧靠散热器的一条短边布局，四组逆变功率单元则相互平行的排列在斩波功率单元到散热器另一条短边的区域。

逆变功率器件采用双管封装的3300V/400A的IGBT，斩波功率器件采用单管3300V/1500A的IGBT，续流二极管为3300V/1000A双管封装。

所述散热器的长度为980mm，宽度为485mm；相邻逆变功率单元之间的间距为50mm，斩波功率单元和与其邻近的逆变功率单元之间的间距为70mm；最靠近散热器另一条短边的逆变功率单元与该短边的间距为30mm；每组逆变功率单元的上端与最邻近的散热器长边的间距为40mm；每个逆变功率器件的长度为140mm，宽度为130mm；同组逆变功率单元相邻的两个逆变功率器件之间的间距为15mm。

散热器采用风冷散热器；散热器采用模压成型，采用表面贴装方式安装功率器件；除器件安装面，其余表面采用阳极氧化发黑处理。

如图2、4、5所示，四个逆变功率单元与一个斩波功率单元排列在散热器上。