功率组件及模块化多电平换流器子模块的制作方法

本实用新型涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种功率组件及模块化多电平换流器子模块。

背景技术：

模块化多电平换流器是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因而在电力系统中具有广泛的应用前景。

模块化多电平换流器的子模块通常包括电容组件及功率组件，现有技术中的功率组件因其内部元器件排布不合理，导致应用至模块化多电平换流器子模块时会出现层叠母排的杂散电感较大、且电流不均流的问题，严重影响了模块化多电平换流器子模块的可靠运行。

因此，亟需一种新的功率组件及模块化多电平换流器子模块。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种功率组件及模块化多电平换流器子模块，功率组件在应用至模块化多电平换流器子模块中时，能够有效的减小层叠母排的杂散电感、避免电流不均流的问题，保证模块化多电平换流器子模块的可靠运行。

一方面，根据本实用新型实施例提出了一种功率组件，用于模块化多电平换流器子模块，包括：器件单元，包括沿第一方向依次并排设置的散热器、IGBT器件及层叠母排，散热器包括朝向层叠母排的安装表面，IGBT器件设置于安装表面并与层叠母排电连接，层叠母排包括具有不同朝向的出线电气接口、保护电气接口及电容电气接口；旁路开关，沿第二方向与器件单元相继分布、且通过保护电气接口与器件单元连接形成半包容纳空间，第二方向与第一方向相交；以及，晶闸管，设置于半包容纳空间且与旁路开关电连接。

根据本实用新型实施例的一个方面，出线电气接口及电容电气接口相对设置且分别在第一方向延伸，保护电气接口朝向旁路开关且在第二方向延伸。

根据本实用新型实施例的一个方面，散热器为水冷板，水冷板上设置有与其自身连通的水管接口及与水管接口相对应的集水槽，集水槽连接有用于与外界连通的导流管。

根据本实用新型实施例的一个方面，还包括支架，器件单元、旁路开关及晶闸管均置于支架，且散热器及旁路开关分别与支架连接。

根据本实用新型实施例的一个方面，进一步包括在第一方向与散热器相对并设置于支架上的控制器，控制器包括分离设置的电压采集电路及工作在低电压状态下的控制电路，电压采集电路与层叠母排及旁路开关电连接，控制电路与IGBT器件、旁路开关及晶闸管电连接。

根据本实用新型实施例的一个方面，控制器为盒状结构，支架具有滑槽，控制器可拆卸地插接于滑槽。

根据本实用新型实施例的一个方面，进一步包括开关电源，开关电源设置于支架并与控制器电连接。

根据本实用新型实施例的一个方面，进一步包括放电电阻，放电电阻设置于安装表面并与层叠母排电连接。

根据本实用新型实施例提供的功率组件，其包括器件单元、旁路开关及晶闸管，器件单元包括沿第一方向依次并排设置的散热器、IGBT器件及层叠母排，散热器包括朝向层叠母排的安装表面，IGBT器件设置于安装表面并与层叠母排电连接，层叠母排包括具有出线电气接口、保护电气接口及电容电气接口。旁路开关沿第二方向与器件单元相继分布、且通过保护电气接口与器件单元连接形成半包容纳空间，第二方向与第一方向相交。晶闸管设置于半包容纳空间且与旁路开关电连接。功率组件在应用至模块化多电平换流器子模块时，能够通过电容电气接口与电容组件连接，通过模块出线接口与外界连接，由于层叠母排的三个接口具有不同的朝向，且晶闸管与层叠母排分离设置，使得功率组件在工作时，能够有效的减小层叠母排的杂散电感、避免电流不均流的问题，保证模块化多电平换流器子模块的可靠运行。

另一方面，根据本实用新型实施例提出了一种模块化多电平换流器子模块，包括：基座；电容组件，连接于基座；上述的功率组件，功率组件临近电容组件设置并连接于基座，电容电气接口与电容组件连接；以及，加固连接件，连接于电容组件及功率组件。

根据本实用新型实施例的另一个方面，加固连接件包括设置于电容组件及功率组件一者上的连接支耳和设置于电容组件及功率组件另一者上的固定板，连接支耳及固定板通过紧固件连接。

附图说明

下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本实用新型一个实施例的功率组件的结构示意图；

图2是本实用新型另一个实施例的功率组件的结构示意图；

图3是图1中散热器的结构示意图；

图4是图1中层叠母排的整体结构示意图；

图5是图4中层叠母排的分解示意图；

图6是本实用新型实施例的功率组件应用至模块化多电平换流器子模块的结构示意图；

图7是图6的电路图；

图8是本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块的分解示意图；

图9是本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块局部结构示意图。

其中：

X-第一方向；Y-第二方向；

1-功率组件；

10-散热器；11-安装表面；12-水管接口；13-集水槽；14-导流管；

20-IGBT器件；21-驱动板；

30-层叠母排；

31-出线电气接口；311-母排负输出电气接口；312-交流输出电气接口；

32-保护电气接口；321-母排负输出旁路保护电气接口；322-交流输出旁路保护电气接口；

33-电容电气接口；331-电容正电气接口；332-电容负电气接口；

34-负极板；35-正极板；36-交流输出板；

40-支架；41-罩壳；411-绝缘板；

50-旁路开关；60-半包容纳空间；70-晶闸管；80-控制器；90-开关电源；100-放电电阻；

2-电容组件；

3-加固连接件；301-连接支耳；302-固定板；

4-基座；401-连接孔。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的功率组件及模块化多电平换流器子模块的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图9根据本实用新型实施例的功率组件及模块化多电平换流器子模块进行详细描述。

请参阅图1，图1示意出了本实用新型一个实施例的功率组件1的结构示意图，根据本实用新型实施例提出了一种功率组件1，用于模块化多电平换流器子模块，包括器件单元、旁路开关50及晶闸管70。器件单元包括沿第一方向X依次并排设置的散热器10、IGBT器件20及层叠母排30，散热器10包括朝向层叠母排30的安装表面11，IGBT器件20设置于安装表面11并与层叠母排30电连接，层叠母排30包括具有不同朝向的出线电气接口31、保护电气接口32及电容电气接口33。旁路开关50沿第二方向Y与器件单元相继分布、且通过保护电气接口32与器件单元连接形成半包容纳空间60，第二方向Y与第一方向X相交，所说的相交优选为垂直。晶闸管70设置于半包容纳空间60且与旁路开关50电连接。

本实用新型实施例提供的功率组件1，在应用至模块化多电平换流器子模块中时，能够有效的减小层叠母排30的杂散电感、避免电流不均流的问题，保证模块化多电平换流器子模块的可靠运行。

请一并参阅图2，图2示意出了本实用新型另一个实施例功率组件1的结构示意图，具体的，为了便于对器件单元、旁路开关50及晶闸管70进行防护及安装，功率组件1优选还包括支架40，支架40可以为镂空的方形框架，器件单元、旁路开关50及晶闸管70均置于支架40且散热器10及旁路开关50连接于支架40，本实施例中散热器10位于旁路开关50的上方且连接于支架40的侧部。

请一并参阅图3，图3是图1中散热器10的结构示意图，本实施例中，散热器10为水冷板，水冷板具有一定的厚度，水冷板上设置有与其自身连通的水管接口12，所说的水管接口12包括两个，一者为进水接口且另一者为出水接口，在水冷板上与水管接口12相对应处设置有集水槽13，所说的集水槽13为由水冷板的表面凹陷形成，集水槽13连接有与外界连通的导流管14。为了节约空间，导流管14的部分结构优选延伸至散热器10的内部。

散热器10采用水冷板形式，结构简单且散热效果好。由于水冷板的进水接口及出水接口需要与外界的管路连通，以达到散热效果。因进水接口及出水接口在与外界管路的连接处容易产生漏水现象，而功率组件1属于电气设备，一旦漏出的水接触到功率组件1的组成器件，容易对相应器件造成损坏，影响器件的性能。因此，相应设置的集水槽13能够将漏水收集，有效的避免漏水对器件造成损坏。由于集水槽13的容量有限，为了确保漏水在集水槽13中不会向外溢出，设置的与集水槽13连通的导流管14能够将集水槽13内收集的漏水时时导出，以确保功率组件1的运行安全。

本实施例中IGBT器件20包括两个并均位于散热器10上，两个IGBT器件20构成半桥结构并与叠层母排电气连接，每个IGBT器件20均具有一驱动板21。

请一并参阅图4及图5，图4是图1中层叠母排30的整体结构示意图，图5是图4中层叠母排30的分解示意图。层叠母排30包括沿第一方向X依次层叠设置的负极板34、正极板35及交流输出板36，负极板34位于靠近散热器10的一侧设置。电容电气接口33由两个接口组成，分别为位于负极板34上的电容负电气接口332及位于正极板35上的电容正电气接口331，电容正电气接口331及电容负电气接口332在第一方向X上延伸，二者优选反向延伸。通过电容正电气接口331及电容负电气接口332能够与模块化多电平换流器子模块的电容组件连接，进而使得IGBT器件20组成的半桥结构与电容组件并联。

出线电气接口31与电容电气接口33相对设置并由两个接口组成，分别为位于负极板34上的母排负输出电气接口311以及位于交流输出板36上的交流输出电气接口312，母排负输出电气接口311及交流输出电气接口312在第一方向X上延伸，二者优选反向延伸，通过母排负输出电气接口311及交流输出电气接口312能够使得功率组件1与外接设备电连接。

保护电气接口32由两个接口组成，分别为位于负极板34上的母排负输出旁路保护电气接口321以及位于交流输出板36上的交流输出旁路保护电气接口322，母排负输出旁路保护电气接口321以及交流输出旁路保护电气接口322均朝向旁路开关50且在第二方向Y上延伸。

旁路开关50整体为盒装结构，器件组件具体通过层叠母排30的保护电气接口32与旁路开关50连接以形成所说的半包容容纳空间，且通过器件组件的层叠母排30将旁路开关50与IGBT器件20并联。同时层叠母排30通过保护电气接口32支撑于旁路开关50上。晶闸管70设置于半包容纳空间60，具体可以将其支撑于旁路开关50并与旁路开关50电连接，以与旁路开关50并联。

作为一种可选的实施方式，功率组件1进一步包括在第一方向X与散热器10相对并设置于支架40上的控制器80，控制器80包括分离设置的电压采集电路及工作在低电压状态下的控制电路，控制电路靠近IGBT器件20设置，控制电路与旁路开关50、IGBT器件20及晶闸管70电连接，具体与旁路开关50的触发及反馈部分、IGBT器件20及晶闸管70的控制部分电连接，以控制IGBT器件20的开通与关断及旁路开关50、晶闸管70的导通。由于控制电路靠近IGBT器件20设置，能够缩短控制电路与IGBT器件20的距离，连接可靠性更高。电压采集电路与层叠母排30及旁路开关50电连接且靠近旁路开关50设置，具体与旁路开关50的储能部分电连接，以监测层叠母排30的电压、旁路开关50的高压电源电压，由于电压采集电路靠近旁路开关50设置，能够缩短电压采集电路与旁路开关50的距离，连接可靠性更高，电压采集电路采集监测的电压值范围为400V～2500V。

由于控制器80的电压采集电路及工作在低压状态下的控制电路分离设置，使得高压区域与低压区域分开，在满足控制要求及状态监测要求的基础上，还能够有效的避免电压采集电路对控制电路的干扰，保证功率组件1的控制稳定性。

为了便于控制器80的拆装，作为一种可选的实施方式，控制器80采用盒状结构，支架40上具有滑槽，控制器80可拆卸地插接于滑槽，本实施例中，滑槽可以沿着第二方向Y延伸，在对控制器80进行拆装时，可以通过从支架40的上方拔出或插入控制器80即可，操作简单，方便控制器80的维护。

作为一种可选的实施方式，功率组件1进一步包括开关电源90，开关电源90设置于支架40并与控制器80电连接。开关电源90的取电输入是较宽范围的直流母排电压，输出稳定的供给控制组件工作的工作电源，控制器80的供电以及旁路开关50的高压电源供电是开关电源90提供的，开关电源90的高度方向为第二方向Y，即开关电源90竖式安装在支架40的内侧壁，开关电源90的高压进线在电源的上端，能够最大限度的减小了高压线路长距离走线，进而减小对功率组件1的影响。

为了当功率组件1停止工作时，能够将层叠母排30上的能量泄放掉，作为一种可选的实施方式，功率组件1进一步包括放电电阻100，放电电阻100采用水冷电阻，放电电阻100设置于散热器10的安装表面11并与层叠母排30电连接，通过放电电阻100使得功率组件1在停止工作时，能够将层叠母排30上的能量泄放，保证功率组件1的稳定运行，并使得功率组件1在下次工作时能够正常运行。

请一并参阅图6、图7，图6示出了本实用新型实施例的功率组件1应用至模块化多电平换流器子模块的结构示意图，图7示出了图6的电路图。本实用新型实施例的功率组件1在使用时，与电容组件2配合使用，电容组件2的正和两个IGBT器件20的上管IGBT器件20的C极相连接，电容组件2的负和两个IGBT器件20的下管IGBT器件20的E相连接，上管IGBT器件20的E和下管IGBT器件20的C相连接，作为功率组件1一侧输出端口，同时并联旁路开关50及晶闸管70的一侧出线端。电容的负和下管IGBT的E相连接，作为功率单元另一侧输出端口，同时并联旁路开关50及晶闸管70的另一侧出线端。放电电阻100并联在电容的两端。

电容组件2与功率组件1在对接时，功率组件1具有电容电气接口33的一侧面向电容组件2设置，通过电容电气接口33与电容组件2并联，以形成模块化多电平换流器子模块，由于层叠母排30的三个接口即出线电气接口31、保护电气接口32及电容电气接口33具有不同的朝向，且晶闸管70位于半包容空间内，即晶闸管70与层叠母排30分离设置，使得功率组件1在工作时，能够有效的减小层叠母排30的杂散电感、避免电流不均流的问题，保证模块化多电平换流器的可靠运行。并且，功率组件1采用上述形式，能够使得其各组成部分布局合理，便于装配及维修。

同时，为了更好的对功率组件1的各器件进行防护，支架40的外部具有罩壳41，罩壳41靠近层叠母排30的出线电气接口31侧的板为绝缘板411，出线电气接口31固定且显露于绝缘板411、但不凸出于绝缘板411，设置的罩壳41不光起到防护、固定及安装的作用，还能够使得功率组件1的整体外形美观。

请一并参阅图8、图9，图8示出了本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块的分解示意图，图9是本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块局部结构示意图。

本实用新型实施例还提供了一种模块化多电平换流器子模块，包括基座4、电容组件2、上述的各实施例的功率组件1及加固连接件3，基座4可以为具有一定厚度的方形体，基座4上设置有连接孔401，电容组件2的底部插接在连接孔401并通过螺栓等紧固件紧固，功率组件1临近电容组件2设置并连接于基座4，具体与基座4可以通过紧固件连接，功率组件1的电容电气接口33与电容组件2连接，加固连接件3连接于电容组件2与功率组件1。

本实施例中，加固连接件3包括设置于电容组件2上的连接支耳301及设置于功率组件1上的固定板302，固定板302可以位于功率组件1的支架40上，具体实施时，连接支耳301插接入功率组件1内与固定板302相对并通过紧固件连接固定，使得电容组件2及功率组件1连接更加牢固。

当然，可以理解的是，连接支耳301并不限于设置于电容组件2上，相应的，固定板302也不限于设置于功率组件1上，在一个示例中，也可以将二者交换，即将连接支耳301设置于功率组件1上，而将固定板302设置于电容组件2上，在电容组件2与功率组件1连接固定时，将连接支耳301与固定板302通过紧固件连接固定，同样使得电容组件2及功率组件1连接更加牢固。

由此，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器子模块，由于采用了上述各实施例的功率组件1，使得模块化多电平换流器子模块整体能够有效的减小层叠母排30的杂散电感、避免电流不均流的问题，保证模块化多电平换流器子模块的可靠运行。且布局合理，便于装配及维修。

同时，由于电容组件2及功率组件1均连接于基座4，且电容组件2及功率组件1之间还通过加固连接件3连接，使得模块化多电平换流器子模块在吊装时，抗振动能力强，有效的避免电容组件2和功率组件1相互之间产生错动，保证二者之间能够可靠的电连接，进而能够有效的避免模块化多电平换流器子模块被损坏，提高其安全性能。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。