专利名称：一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体开关技术领域，特别是提供了一种新型集成门极换向晶闸管 (The Integrated Gate Commutated Thyristor，简称 IGCT)三电平功率模块，它适用于 3 27MVA大功率变流器中，可广泛应用于中压传动领域。
背景技术：
在中小功率变流器中，采用的是小功率的电力电子器件，器件的应用技术成熟，裕 量足够高，失效率低，整个系统的可靠性较高。然而，大容量变流器由于集高电压和大电流 于一体，器件欲量不足，杂散参数影响大，器件发热量大，散热困难，使得变流器的可靠性大 大降低，成为其全面推广的障碍。集成门极换向晶闸管IGCT是在可关断晶闸管GTO的基础上所作的改良型器件，它 作为一种新型的电力电子器件，将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起， 再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即 晶体管稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断 阶段呈类似于晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、 损耗低的特点。
发明内容
本发明的目的在于通过将三电平桥臂集成到单独模块中，再配上驱动电路，在应 用中提供元件布局更加合理、结构更加紧凑、散热能力更高的一种实施方案。一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块，使用的主功率电力电子器件为IGCT， 除此以外还有电力电子器件中点箝位二极管、反并联续流二极管、中点箝位电阻、吸收电 路(箝位吸收电容、箝位吸收二极管、箝位吸收电抗器、箝位电容反并联吸收电阻)。根据电 路图，合理布置各个电力电子元器件的位置，构成集成门极换向晶闸管三电平功率模块。一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块，外型尺寸为480x680x650 (高χ宽χ 长，单位mm)，属于大功率半导体开关技术领域。本发明采用以厚型钢板焊接而成的左金属 框架焊接件1和右金属框架焊接件9为左、右两侧的支撑，通过压装机构10把IGCT支路母 排36、中点箝位二极管支路母排37、IGCT反并联二极管支路母排38、箝位吸收电容支路母 排39，分别与六种电力电子元器件(IGCT、中点箝位二极管、反并联续流二极管、箝位吸收 二极管、箝位吸收电容、箝位电容反并联吸收电阻)、方形水冷散热器12和绝缘子11压接成 三个相互平行的功率串，固定在左金属框架焊接件1、右金属框架焊接件9上。三个功率串 平行放置，包含的电力电子器件通过IGCT支路母排、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并 联二极管支路母排实现电路连接。其中，第一个功率串中的电力电子器件为IGCT，通过压装 机构把IGCT支路母排、IGCT、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母排、方形 水冷散热器和绝缘子组合压接成第一功率串；第二个功率串中的电力电子器件为反并联续 流二极管，通过压装机构把IGCT支路母排、反并联续流二极管、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第二功率串；第三个功 率串中的电力电子器件为箝位吸收二极管、中点箝位二极管，通过压装机构把两个IGCT支 路母排、箝位吸收二极管、中点箝位二极管、中点箝位二极管支路母排、吸收电容支路母排、 方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第三功率串。压装机构10由顶块27、外六角细牙压力 螺钉四、弹簧导杆30、蝶形弹簧31、垫片32顺序连接组成。本发明中使用的方形水冷散热 器12为铝合金材质，采取两侧面散热并进行压装电力电子器件的集成方式，同时在非压装 面其中的上面以中性面为对称面钻孔以固定水接头进行通水；在非压装面的两个侧面与上 面.在靠近两面交线5mm处分别钻孔，并加工成90°的通孔以固定拉弹簧16的一端，拉弹 簧16的另一端则通过绝缘勾销15固定在绝缘拉杆14上；方形水冷散热器的两侧面不仅是 进行压装电力电子器件的压装面，还在此面靠下的固定方位钻孔，固定绝缘固定销13，支承 电力电子器件。基于各种机械和电气的要求，本发明中所采用的绝缘拉杆14，以模具的形 式浇注而成，把一个通长金属螺杆预埋到绝缘材料里面，不仅起到支撑左右金属框架的作 用。同时，以其结构的特殊性，对绝缘拉杆的材质要求比较高，除必须满足功率单元模块简 易、方便的机械安装性和高强度、有一定伸缩量的机械伸张性外，其金属螺杆外面包裹的绝 缘材料也必须具有良好的电气绝缘性，以适应高电压、大电流的电气设计要求。固定在绝缘 拉杆14的安装沉孔内的绝缘勾销15是以模具的形式浇注而成，绝缘勾销，15先固定拉弹簧 16的一端，拉弹簧16的另一端同方形水冷散热器12相连。拉弹簧16、绝缘固定销13以及 绝缘拉杆14、绝缘勾销15的结构特点解决了更换IGCT和二极管元件时，因方形水冷散热器 不固定，易散落问题。 集成门极换向晶闸管三电平功率模块，吸收电路布置紧凑。箝位吸收电阻20在第 三个功率串的下部安装；箝位吸收电抗器19分别安装在左、右金属框架焊接件的外侧；中 点箝位电阻8安装在左、右金属框架焊接件的内侧壁上部；箝位电容反并联吸收电阻7和箝 位吸收电容6由吸收电容支路母排固定在第三功率串的前部，相互间距离很小，分布紧凑， 之间的连接铜排很短，从而减小了相互的杂散电感。本发明中采用的箝位吸收电抗器是圆 饼形的水冷电抗器。其内部形状并不是通常的螺线管而是圆饼形，其目的在于减小电抗器 的体积，更好地控制本发明的体积。用内壁镀镍的铜管绕成直径较小的螺线管，再盘成圆环 状，形成圆截平行的功率串，固定在左金属框架焊接件1、右金属框架焊接件9上。三个功 率串平行放置，包含的电力电子器件通过IGCT支路母排、中点箝位二极管支路母排、IGCT 反并联二极管支路母排实现电路连接。其中，第一个功率串中的电力电子器件为IGCT，通 过压装机构把IGCT支路母排、IGCT、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母 排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第一功率串；第二个功率串中的电力电子器件为 反并联续流二极管，通过压装机构把IGCT支路母排、反并联续流二极管、中点箝位二极管 支路母排、IGCT反并联二极管支路母排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第二功率串； 第三个功率串中的电力电子器件为箝位吸收二极管、中点箝位二极管，通过压装机构把两 个IGCT支路母排、箝位吸收二极管、中点箝位二极管、中点箝位二极管支路母排、吸收电容 支路母排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第三功率串。压装机构10由顶块27、外六 角细牙压力螺钉四、弹簧导杆30、蝶形弹簧31、垫片32顺序连接组成。本发明中使用的方 形水冷散热器12为铝合金材质，采取两侧面散热并进行压装电力电子器件的集成方式，同 时在非压装面其中的上面以中性面为对称面钻孔以固定水接头进行通水；在非压装面的两个侧面与上面.在靠近两面交线5mm处分别钻孔，并加工成90°的通孔以固定拉弹簧16的 一端，拉弹簧16的另一端则通过绝缘勾销15固定在绝缘拉杆14上；方形水冷散热器的两 侧面不仅是进行压装电力电子器件的压装面，还在此面靠下的固定方位钻孔，固定绝缘固 定销13，支承电力电子器件。基于各种机械和电气的要求，本发明中所采用的绝缘拉杆14， 以模具的形式浇注而成，把一个通长金属螺杆预埋到绝缘材料里面，不仅起到支撑左右金 属框架的作用。同时，以其结构的特殊性，对绝缘拉杆的材质要求比较高，除必须满足功率 单元模块简易、方便的机械安装性和高强度、有一定伸缩量的机械伸张性外，其金属螺杆外 面包裹的绝缘材料也必须具有良好的电气绝缘性，以适应高电压、大电流的电气设计要求。 固定在绝缘拉杆14的安装沉孔内的绝缘勾销15是以模具的形式浇注而成，绝缘勾销，15先 固定拉弹簧16的一端，拉弹簧16的另一端同方形水冷散热器12相连。拉弹簧16、绝缘固 定销13以及绝缘拉杆14、绝缘勾销15的结构特点解决了更换IGCT和二极管元件时，因方 形水冷散热器不固定，易散落问题。集成门极换向晶闸管三电平功率模块，吸收电路布置紧凑。箝位吸收电阻20在第 三个功率串的下部安装；箝位吸收电抗器19分别安装在左、右金属框架焊接件的外侧；中 点箝位电阻8安装在左、右金属框架焊接件的内侧壁上部；箝位电容反并联吸收电阻7和箝 位吸收电容6由吸收电容支路母排固定在第三功率串的前部，相互间距离很小，分布紧凑， 之间的连接铜排很短，从而减小了相互的杂散电感。本发明中采用的箝位吸收电抗器是圆 饼形的水冷电抗器。其内部形状并不是通常的螺线管而是圆饼形，其目的在于减小电抗器 的体积，更好地控制本发明的体积。用内壁镀镍的铜管绕成直径较小的螺线管，再盘成圆环 状，形成圆截系统出现异常，造成元件损坏，则需要将损坏元件更换，三串式设计更有利于 元件更换。对于单串式设计，无论哪一个元件损坏，都必须将整个功率模块彻底拆卸，不便 于维修。而三串式结构可以针对损坏的功率串进行操作，不需要触及其余完好的功率串。集成门极换向晶闸管三电平功率模块的优点在于采用了独特的三个相互平行的 功率串式的设计，可以减小该换流回路的等效电感。同时还有利于功率模块的维护、检修与 元件更换。采用的四类接口，可分别独立正常工作，相互不干扰各自的运行。功率模块的结 构紧凑，空间尺寸小，组装简单、方便，适用于3 27MVA大功率IGCT变流器。
图1为本发明的电路图，其中，L1-L2为箝位吸收电抗器，R1-R4为箝位吸收电阻， D1-D2为箝位吸收二极管，C1-C4为箝位吸收电容，R5-R6为箝位电容反并联电阻，D3-D4为 中点箝位二极管，R7-R10为中点箝位电阻，D5-D8为反并联续流二极管，S1-S4为IGCT元 件。图2为本发明的结构图(正面)。其中，左金属框架焊接件1、IGCT元件2、反并联 续流二极管3、箝位吸收二极管4、中点箝位二极管5、箝位吸收电容6、箝位电容反并联吸收 电阻7、中点箝位电阻8、右金属框架焊接件9、压装机构10、绝缘子11、方形水冷散热器12、 绝缘固定销13、绝缘拉杆14、绝缘勾销15、拉弹簧16、供/回水母管17、供/回水对焊球阀 18、箝位吸收电抗器19。图3为本发明的结构图(背面)。其中，箝位吸收电阻20、P相进线母排21、P相 出线母排组22、M相出线母排23、方形水冷电抗器搭接母排24、N相出线母排组25、N相进线母排沈、支撑绝缘子27。图4为压装机构的结构图。其中，顶块观、外六角细牙压力螺钉四、弹簧导杆30、 碟形弹簧31、垫片32。图5为N相出线母排组的连接示意图。其中，吸收电抗器支路母排33、吸收电感支 路母排34、N相出线母排35、IGCT支路母排36、中点箝位二极管支路母排37、IGCT反并联 二极管支路母排38、吸收电容支路母排39。图6为P相出线母排组的连接示意图。其中，吸收电抗器支路母排33、吸收电感支 路母排34、P相出线母排40、IGCT支路母排36、中点箝位二极管支路母排37、IGCT反并联 二极管支路母排38、吸收电容支路母排39。
具体实施例方式图2为本发明的一种实施方式。包括左金属框架焊接件1、右金属框架焊接件9、 IGCT元件2、方形水冷散热器12、压装机构10、绝缘子11、反并联二极管3、箝位吸收二极 管4、中点箝位二极管5、箝位吸收电容6、箝位电容反并联电阻7、箝位吸收电阻20、箝位吸 收电抗器19、中点箝位电阻8、拉弹簧16、绝缘拉杆14、绝缘固定销13、绝缘勾销15、进出水 母管17、进出水球阀18、P相出线母排组22、N相出线母排组25、P相进线母排21、N相进 线母排^KM相出线母排23、方形水冷电抗器搭接母排M等。本发明采用以厚型钢板焊接 而成的左金属框架焊接件1和右金属框架焊接件9为左、右两侧的支撑，通过压装机构10 把IGCT支路母排36、中点箝位二极管支路母排37、IGCT反并联二极管支路母排38、箝位 吸收电容支路母排39，分别与六种电力电子元器件(IGCT、中点箝位二极管、反并联续流二 极管、箝位吸收二极管、箝位吸收电容、箝位电容反并联吸收电阻)、方形水冷散热器12和 绝缘子11压接成三个相互平行的功率串，固定在左金属框架焊接件1、右金属框架焊接件9 上。其中，第一个功率串中的电力电子器件为IGCT，第二个功率串中的电力电子器件为反并 联续流二极管，第三个功率串的中的电力电子器件为箝位吸收二极管、中点箝位二极管。压 装机构10由顶块观、外六角细牙压力螺钉四、弹簧导杆30、蝶形弹簧31、垫片32组成。箝 位吸收电阻20在第三个功率串的下部分布；箝位吸收电抗器19分布在左、右金属框架的外 侧；中点箝位电阻8安装在左、右金属框架的内侧壁上部，箝位电容反并联吸收电阻7和箝 位吸收电容6由吸收电容支路母排固定在第三功率串的前部。本发明中，供/回水母管17安装在第一个功率串，即IGCT控制电路接口留下的底 部空间，供/回水对焊球阀18安装在供/回水母管17的供/回水端，供/回母管上面分布 有若干水接头，固定了若干毛细软管同各个方形水冷散热器、箝位吸收电阻、箝位吸收电抗 器相连并导通，形成一套封闭的循环水路，以实现循环冷却水对各个电子电力元件的冷却。P相出线母排组在左金属框架焊接件1的一侧，由第三功率串的最左侧的方形水 冷散热器同左侧的箝位吸收电抗器通过吸收电抗器支路母排33、吸收电感支路母排34、P 相出线母排40、IGCT支路母排36连接形成；N相出线母排组在右金属框架焊接件9的一 侧，由第三功率串的最右侧的方形水冷散热器同右侧的箝位吸收电抗器通过吸收电抗器支 路母排33、吸收电感支路母排34、N相出线母排35、IGCT支路母排36连接形成；固定在箝 位吸收电抗器19上的P相进线母排21、N相进线母排26分别是功率模块的外接母排；第一 个功率串中间的方形水冷散热器与方形水冷散热器搭接母排24相连，作为M相出线母排23。
权利要求
1.一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于功率模块包括第一功率 串、第二功率串、第三功率串及供/回水母管；三个功率串的两端分别固定在左金属框架 焊接件(1)和右金属框架焊接件(9)上；三个功率串平行放置，包含的电力电子器件通过 IGCT支路母排、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母排实现电路连接；第 一个功率串中的电力电子器件为IGCT，通过压装机构把IGCT支路母排、IGCT、中点箝位二 极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第一功 率串；第二个功率串中的电力电子器件为反并联续流二极管，通过压装机构把IGCT支路母 排、反并联续流二极管、中点箝位二极管支路母排、IGCT反并联二极管支路母排、方形水冷 散热器和绝缘子组合压接成第二功率串；第三个功率串中的电力电子器件为箝位吸收二极 管、中点箝位二极管，通过压装机构把两个IGCT支路母排、箝位吸收二极管、中点箝位二极 管、中点箝位二极管支路母排、吸收电容支路母排、方形水冷散热器和绝缘子组合压接成第 三功率串；箝位吸收电阻00)安装在第三个功率串的下部；箝位吸收电抗器(19)分别安装在左、 右金属框架焊接件的外侧；中点箝位电阻(8)安装在左、右金属框架焊接件的内侧壁上部；箝位电容反并联吸收电阻(7)和箝位吸收电容(6)由吸收电容支路母排固定在第三 功率串的前部；中点箝位电阻(8)、箝位吸收电抗器(19)就近放置在第三功率串两侧；IGCT 支路母排(36)和中点箝位二极管支路母排(37)相互平行贯穿压装在三个功率串中，在P-O 换流过程中，IGCT支路母排(36)和中点箝位二极管支路母排(37)间的电流方向一致而变 化率相反，两者间的耦合电感对等效电感起削弱的作用；功率模块具有四类接口 由四个分别固定在左金属框架焊接件和右金属框架焊接件上 的支撑绝缘子构成的机械接口，用于将功率模块固定在柜体上；功率电路接口，用于电气连 接；由固定在供/回水母管上的对焊球阀构成的水路接口，用于与外部循环冷却水路相连； 由IGCT弓丨出的控制电路接口，用于与外部控制系统相连；在功率模块的前部，利用IGCT控 制电路接口留下的底部空间固定供/回水母管；而在功率模块的后部，布置由P相进线母 排、P相出线母排组、M相出线母排、N相出线母排组、N相进线母排构成的功率电路接口 P 相出线母排组在左金属框架焊接件(1)的一侧，由第三功率串的最左侧的方形水冷散热器 同左侧的箝位吸收电抗器通过吸收电抗器支路母排(33)、吸收电感支路母排(34)、P相出 线母排(40)、IGCT支路母排(36)连接形成；N相出线母排组在右金属框架焊接件(9)的一 侧，由第三功率串的最右侧的方形水冷散热器同右侧的箝位吸收电抗器通过吸收电抗器支 路母排(33)、吸收电感支路母排(34)、N相出线母排(35)、IGCT支路母排(36)连接形成； 固定在箝位吸收电抗器(19)上的P相进线母排01)、N相进线母排06)分别是功率模块 的外接母排；第一个功率串中间的方形水冷散热器与方形水冷散热器搭接母排04)相连， 作为M相出线母排03)。
2.如权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的压 装机构由顶块(27)、外六角细牙压力螺钉( )、蝶形弹簧(30)、弹簧导杆09)和垫片(31) 顺序连接组成。
3.如权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的方 形水冷散热器采取两侧面散热并进行压装电力电子器件的集成方式，同时在非压装面其中 的上面以中性面为对称面钻孔以固定水接头进行通水；在非压装面的两个侧面与上面在靠近两面交线5mm处分别钻孔，并加工成90°的通孔以固定拉弹簧(16)的一端，拉弹簧(16) 的另一端则通过绝缘勾销(1 固定在绝缘拉杆(14)上；方形水冷散热器的两侧面不仅是 进行压装电力电子器件的压装面，还在此面靠下的固定方位钻孔，固定绝缘固定销(13)，支 承电力电子器件。
4.如权利要求3所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的方 形水冷散热器为铝合金材质。
5.如权利要求3所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的绝 缘拉杆以模具的形式浇注而成，把一个通长金属螺杆预埋到绝缘材料里面。
6.如权利要求3所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的绝 缘勾销以模具的形式浇注而成；绝缘勾销(15)先固定拉弹簧(16)的一端，拉弹簧(16)的 另一端同方形水冷散热器(1 相连。
7.如权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的箝 位吸收电抗器采用圆饼形的水冷电抗器，用内壁镀镍的铜管绕成直径较小的螺线管，再盘 成圆环状，形成圆截面环状螺线管，铜管内通水用于冷却。
8.如权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块，其特征在于所述的供/ 回水母管安装在第一个功率串的电子电力元件IGCT的下部，供/回水对焊球阀(18)安装 在供/回水母管(17)的供/回水端，供/回水母管上面分布有若干水接头，固定了一个或 多个毛细管同各个方形水冷散热器、箝位吸收电阻、箝位吸收电抗器相连并导通，形成一套 封闭的循环水路，以实现循环冷却水对各个电子电力元件的冷却；当用户现场进行维修，需 要更换电子电力元件，通过先闭合供/回水母管(17)上的供/回水对焊球阀(18)，截断进 入功率模块的水流，再拆卸其右端的活节，同外部水冷系统断开，然后进行维修和更换。
全文摘要
一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块，属于大功率半导体开关技术领域。包括集成门极换向晶闸管(IGCT)、反并联续流二极管、左金属框架焊接件、右金属框架焊接件、压装机构、方形水冷散热器、绝缘固定销、绝缘拉杆、绝缘勾销、P相进线母排、P相出线母排、M相出线母排、N相出线母排、N相进线母排等。本发明采用了三个相互平行的功率串的结构形式，每个功率串通过压装机构，把电力电子元件与相应的连接母排、方形水冷散热器、绝缘子压接在一起。本发明中，吸收电路布置紧凑，从而减小相互的杂散电感。本发明将水路接口与功率电路接口前后布置，相互隔开。
文档编号H05K7/20GK102064676SQ20101062329
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者兰志明, 周亚宁, 唐磊, 朱春毅, 李凡, 李向欣, 李崇坚, 李英杰, 杨琼涛, 段巍, 王成胜 申请人:冶金自动化研究设计院, 北京金自天正智能控制股份有限公司