专利名称：一种背靠背式三电平静止变频器的功率组件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三电平静止变频器的功率组件。
背景技术：
静止变频器是一种运行可靠、性能优良的起动装置。它的提出已有几十年的时间， 国外已进入普遍应用阶段，运行于燃气轮机机组、抽水蓄能电站、高炉鼓风机等方面。一套 起动装置能依次起动若干台大型机组，节省设备投资。另一方面，静止变频起动装置造价较 高，系统复杂，要求较高的技术水平和维护水平。然而，随着电力电子技术的发展，这些问题 已日益得到解决。与普通的二电平PWM变频器相比，三电平静止变频器由于输出线电压电平数由2 个增加到3个，每个电平幅值相对较低，由整个直流母线电压降低为一半的直流母线电压， 输出dv/dt也相应下降；在同等开关频率的前提下，采用三电平结构还可使输出波形质量 有较大的改善。如输入也采用对称的三电平PWM整流结构，可以做到输入功率因数可调，输 入谐波较低，且可以四象限运行，系统具有较高的动态性能。如今，变频器的应用在日益增加，对变频器可靠性的要求越来越高。影响变频器的 可靠性指标有多项，其中在设计过程中其散热与通风是一个至关重要的环节。一般来讲，由 于设备功率大，在正常工作时，仍要产生大量的热量。为保证设备的正常工作，把大量的热 量散发出去，优化散热与通风方案，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性是十分必 要的。变频器在正常工作时，功率组件则是热量的主要来源，其中作为主电路电子开关 的功率器件的散热、功率组件的散热设计相应的变得最为重要。功率器件的耗散功率所产 生的温升需由散热器来降低，通过散热器增加功率器件的导热和辐射面积、扩张热流以及 缓冲导热过渡过程，直接传导或借助于导热介质将热量传递到冷却介质中。目前在高压变 频器中常用到的冷却方式为强制空气冷却、循环水冷却、热管散热器冷却。由于采用水冷方 式散热有体积小、效率高、没有污染等优点，散热器表面与流体的温差比较小，一方面可以 提高功率，另一方面可以降低芯片的温度，提高其寿命。因此，采用水冷方式对变频器进行 冷却，是提高设备可靠性和缩小设备体积的一个重要措施。设计三电平变频器的功率组件时，在满足散热设计的同时，应充分考虑到设备的 装卸、检修及维护的方便问题。但是目前为止还没有一种能够满足要求的功率组件。
发明内容本实用新型的目的是提供一种适用于背靠背式三电平静止变频器的功率组件。为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了 一种背靠背式三电平静止变 频器的功率组件，其特征在于，包括相连接的两个功率组件水冷散热器，功率组件水冷散热 器通过水冷散热器支撑柱设于功率组件支撑板上，每个功率组件水冷散热器的两端通过水 冷散热器连接头分别直接连于主循环水管道的进水管和回水管，在一个功率组件水冷散热器的两面各安装一个IGBT模块和一个二极管模块，同时，在另一个功率组件水冷散热器的 两面正反设有两个IGBT模块，四个IGBT模块依次串联在直流正极和直流负极之间组成两 个桥臂，在位于中间的两个IGBT模块之间引出有输入/输出端，在每个桥臂的中点与0点 之间分别跨接有一个二极管模块，在直流正极和直流负极与0点间分别跨接有一个吸收电容。本实用新型的优点是1.结构紧凑，采用“背靠背”式安装。功率组件采用功率器件在功率组件水冷散热 器上两面安装，即“背靠背”式安装，这种紧凑的结构，使得功率组件在满足其散热要求，达 到散热效果的前提下，比使用两个单面安装散热器的方案节省了一半的空间。因此，结构的 紧凑使得功率组件体积的缩小，从而可以极大的减小整机的尺寸。2.统一的功率组件结构。三电平变频器整流部分与三电平变频器逆变部分可设计 为完全相同的两部分，并且三电平变频器整流部分和三电平变频器逆变部分中的每一相可 设计为共六个相同的功率组件。因此，功率组件的设计统一将功率器件安装于功率组件水 冷散热器的两面，再通过绝缘的水冷散热器支撑柱固定于功率组件支撑板上，形成一个功 率组件的整体，可以使功率组件形成一体化，方便装配、检修与维护，使三电平变频器整流 部分和三电平变频器逆变部分使用相同的功率组件。3.高标准的互换性。功率组件电路简单，结构清晰，技术成熟可靠。另外，采用模 块化结构，三电平变频器整流部分与三电平变频器逆变部分的功率组件，由于其统一标准 的结构，故可以在不进行任何改动的情况下互换，同时，装配和维修也非常方便。4.优良散热效果的水冷散热器。功率组件采用功率组件水冷散热器对功率器件进 行冷却，使安装于功率组件水冷散热器表面的IGBT模块和二极管模块得到充分冷却降温， 严格控制功率器件的温升不超过额定值，以满足器件在额定的温度范围内正常工作，可以 有效提高设备可靠性。5.增强的散热效果。功率组件水冷散热器内部由S型的三条水道形成，在功率组 件水冷散热器内部的三条水道内分别加入与水道长度相同的弹簧，可以有效的增大通过水 道的循环水的流阻，增强水道内的水流的扰流效果，从而增大功率组件水冷散热器的换热 系数，增强率组件水冷散热器的散热效果。6.独立的散热系统。每个功率组件有其独立使用的功率组件水冷散热器，使其提 供各自适合的散热功率，同时，为使功率组件水冷散热器上的IGBT模块和二极管模块达到 更佳的散热效果，考虑其散热效果及散热要求，每个功率组件使用两个完全相同且相对独 立的功率组件水冷散热器相连接进行安装散热，在每个功率组件水冷散热器的两端通过水 冷散热器连接头分别直接连于主循环水管道的进水管和回水管，增强每个功率组件水冷散 热器的散热效果。
图1是能量可双向流动的双SVPWM三电平变频器原理图；图2是背靠背式三电平静止变频器的功率组件原理图；图3是背靠背式三电平静止变频器的功率组件结构立体图；图4是功率组件水冷散热器立体图。
具体实施方式
以下结合实施例来具体说明本实用新型。实施例如图1所示，是能量可双向流动的双SVPWM三电平变频器原理图，这种方式允许全 部电机能量的回馈，降低了输入谐波且提高了功率因数。二极管箝位三电平电压源型高一 高变频器考虑了三电平电压源型高一高变频器运行功率因数高，响应速度快，器件数量少， 柜体尺寸减小，单机运行可靠性高的特点。三电平电压源型变频器直接采用高压IGBT功率 器件的电压源型高压逆变器，它采用了传统的交一直一交变频器结构，为能量可双向流动 的双SVPWM三电平变频器。根据其原理图，三电平变频器整流部分1与三电平变频器逆变 部分2可设计为完全相同的两部分，并且三电平变频器整流部分1和三电平变频器逆变部 分2中的每一相可设计为共六个相同的功率组件。如图2所示，是本实用新型的原理图，由于三电平变频器整流部分1和三电平变频 器逆变部分2共分为六个相同的功率组件，因此三电平变频器整流部分1中功率组件的输 入端与三电平变频器逆变部分2中功率组件的输出端在通用功率模块中是相同的连接点， 每个功率组件有输入\输出、0点、直流正极和直流负极四个连接点。在三电平变频器整流 部分1中，由输入端引入三相交流电的一相，分别通过两个IGBT模块3串联的桥臂，同时， 在IGBT模块的串联中点与0点之间分别使用二极管模块4进行箝位，在直流正极和直流负 极与0点间加装吸收电容5，将其整流为直流电，分别为直流正极和直流负极，进入三电平 变频器逆变部分2 ；同样，在三电平变频器逆变部分2，通过整流的直流正极和直流负极进 入功率组件，分别通过两个IGBT模块3串联的桥臂，同时，在IGBT模块的串联中点与0点 之间分别使用二极管模块4进行箝位，在直流正极和直流负极与0点间分别加装吸收电容 5，在输出端逆变为三相交流输出的一相。如图3所示，是本实用新型的结构立体图，为了更好的达到散热效果，采用两个完 全相同的功率组件水冷散热器6相连接进行安装散热。在功率组件中，功率组件水冷散热 器6的两面，各安装一个IGBT模块3和一个二极管模块4，同时，将两个IGBT模块3正反安 装于相连接的另一个功率组件水冷散热器6的两面，吸收电容5分别安装在直流正极和直 流负极与0点间，功率组件内部各个元件之间以及功率组件之间的各个连接点采用铜排进 行电气连接；在每个功率组件水冷散热器6的两端通过水冷散热器连接头7分别直接连于 主循环水管道的进水管和回水管；同时，通过绝缘的水冷散热器支撑柱8固定于功率组件 支撑板9上，形成一个功率组件的整体。如图4所示，是本实用新型的功率组件水冷散热器立体图，功率组件水冷散热器6 对功率器件进行冷却用于对安装于其表面的IGBT模块3和二极管模块4进行充分冷却降 温，严格控制功率器件的温升不超过额定值，以满足器件在额定的温度范围内正常工作，可 以有效提高设备可靠性。并且，在功率组件水冷散热器6内部的S型水道内，分别加入与水 道长度相同的弹簧，可以有效的增大通过水道的循环水的流阻，增强水道内的水流的扰流 效果，从而增大功率组件水冷散热器6的换热系数，增强率组件水冷散热器6的散热效果。 同时，每个功率组件有其独立使用的功率组件水冷散热器6，使其提供各自适合的散热功 率，每个功率组件使用两个完全相同且相对独立的功率组件水冷散热器6相连接进行安装散热，在每个功率组件水冷散热器6的两端通过水冷散热器连接头7分别直接连于主循环 水管道的进水管和回水管，增强每个功率组件水冷散热器6的散热效果。
权利要求一种背靠背式三电平静止变频器的功率组件，其特征在于，包括相连接的两个功率组件水冷散热器(6)，功率组件水冷散热器(6)通过水冷散热器支撑柱(8)设于功率组件支撑板(9)上，每个功率组件水冷散热器(6)的两端通过水冷散热器连接头(7)分别直接连于主循环水管道的进水管和回水管，在一个功率组件水冷散热器(6)的两面各安装一个IGBT模块(3)和一个二极管模块(4)，同时，在另一个功率组件水冷散热器(6)的两面正反设有两个IGBT模块(3)，四个IGBT模块(3)依次串联在直流正极和直流负极之间组成两个桥臂，在位于中间的两个IGBT模块(3)之间引出有输入/输出端，在每个桥臂的中点与0点之间分别跨接有一个二极管模块(4)，在直流正极和直流负极与0点间分别跨接有一个吸收电容(5)。
专利摘要本实用新型提供了一种背靠背式三电平静止变频器的功率组件，其特征在于，包括相连接的两个功率组件水冷散热器，在一个功率组件水冷散热器的两面各安装一个IGBT模块和一个二极管模块，同时，在另一个功率组件水冷散热器的两面正反设有两个IGBT模块，四个IGBT模块依次串联在直流正极和直流负极之间组成两个桥臂，在位于中间的两个IGBT模块之间引出有输入/输出端，在每个桥臂的中点与0点之间分别跨接有一个二极管模块，在直流正极和直流负极与0点间分别跨接有一个吸收电容。本实用新型的优点是结构紧凑，高标准的互换性，优良散热效果的水冷散热器，增强的散热效果，独立的散热系统。
文档编号H05K7/20GK201708701SQ20102024964
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者张海燕, 时代, 李守法, 程德倪, 逯乾鹏, 郑旻 申请人:上海发电设备成套设计研究院;上海科达机电控制有限公司;上海斯隆能源技术服务有限公司